Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)
Кафедра «Электротехника»
Аналитический расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе
Задания и методические указания к выполнению семестровой работы по курсу «Общая электротехника»
Волгоград, 2007 г.
УДК 621.317
Аналитический расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе
:
Задания и методические указания к выполнению семестровой работы по курсу «Общая электротехника» /Сост. канд. тех. наук, доцент С.И. Николаева, Волгоград. гос. ун-т. –Волгоград, 2007. -13с.
В работе приведены задания на семестровую работу по разделу «Электроника» курса «Общая электротехника». Включает в себя задания на выполнение семестровой работы и пример расчета.
Работа предназначена для специальности 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства», но отдельные ее части могут быть использованы и для других специальностей, изучающих курс «Электротехника и электроника».
Рис. 1. Табл. 3. Библиогр.: 3 наименования.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ)
Рецензент: к.т.н., доц. А.В. Емельянов
© Волгоградский государственный
технический университет
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
Семестровая работа выполняется по исходным данным в соответствии с вариантом.
Семестровая работа содержит 1 задание. В данном задании приведен текст задания и исходные данные для его решения. Исходные данные согласно варианту приведены в таблице 2.1.
Номер варианта соответствует номеру студента в журнале учебной группы.
Правила оформления семестровой работы
Семестровая работа оформляется на листах формата А4. Титульный лист работы имеет стандартный вид и должен содержать наименование предмета, по которому сделана работа, вариант по номеру в журнале, фамилию и инициалы студента, номер группы учебной группы (см. Приложение 1) . После записи «Проверил» указывается фамилия и инициалы преподавателя.
Текст работы может быть набран на компьютере и написан «вручную». В любом случае обязательно приводится полный текст задания. Затем выписываются исходные данные своего варианта, а затем приводятся ответы на вопросы или решение задачи.
Текст решения должен содержать пояснения, какой параметр и по какой исходной формуле определяется. Если требуется, чертятся схемы (непосредственно по тексту) и графики (на миллиметровке). Схемы должны быть выполнены карандашом с использованием чертежных инструментов и в соответствии с требованиями ЕСКД.
Семестровая работа, выполненная не для своего варианта, а также оформленная небрежно и не по правилам, не проверяется и не оценивается.
Задание:
Требуется провести расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером и с температурной стабилизацией за счет отрицательной обратной связи.
В соответствии с вариантом считаются заданными:
· Тип транзистора;
· Рабочая точка транзистора в состоянии покоя;
· Сопротивление резистора в цепи коллектора Rк
;
· Наименьшая граничная частота fн
;
· Падение напряжения на резисторе Rэ
, которое выбирают в соответствии с требованиями к температурной стабилизации усилителя.
Общими для всех вариантов величинами являются:
· Коллекторный ток транзистора Iк0
= 1мА;
· Напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ0
= 5 В в состоянии покоя;
· Сопротивление нагрузки усилителя берут равным рассчитанному ранее входному сопротивлению усилителя Rвх
, т.е. считают, что данный усилитель имеет в качестве нагрузки такой же каскад усиления.
Рассчитать:
1. Параметры остальных элементов схемы;
2. Напряжение на этих элементах и протекающие через них токи;
3. Коэффициент усиления по напряжению в области средних частот.
4. Нарисовать
схему усилительного каскада и объяснить
ее работу. На схеме должны быть представлены все элементы, рассчитанные в семестровой работе, токи и напряжения на всех элементах схемы.
Исходные данные согласно варианту задания приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1- Исходные данные к заданию
| Вари-ант |
Тип транзис-тора |
h11Э
|
h12Э
|
h21Э
|
h22Э
|
Rк
|
UЭ0
|
fн
|
Рк мах
|
| Ом |
- |
- |
Ом-1
|
кОм |
В |
Гц |
Вт |
||
| 1 |
ГТ108А |
540 |
9*10-3
|
35 |
120*10-6
|
1,8 |
1,1 |
65 |
0,075 |
| 2 |
МП39 |
850 |
7*10-3
|
35 |
55*10-6
|
2,4 |
2,5 |
50 |
0,15 |
| 3 |
МП40 |
900 |
8*10-3
|
30 |
60*10-6
|
3,0 |
2,2 |
30 |
0,15 |
| 4 |
П416 |
650 |
32*10-3
|
40 |
150*10-6
|
5,6 |
2,2 |
20 |
0,15 |
| 5 |
МП41 |
950 |
7,5*10-3
|
45 |
50*10-6
|
3,6 |
2,8 |
25 |
0,15 |
| 6 |
МП14 |
930 |
7*10-3
|
30 |
100*10-6
|
4,7 |
2,3 |
15 |
0,15 |
| 7 |
МП15 |
1300 |
8*10-3
|
45 |
150*10-6
|
1,5 |
0,8 |
70 |
0,15 |
| 8 |
ГТ322 |
330 |
16*10-3
|
56 |
62,5*10-6
|
2,7 |
1,8 |
65 |
0,075 |
| 9 |
МП39Б |
1100 |
6*10-3
|
40 |
45*10-6
|
3,3 |
1,8 |
40 |
0,15 |
| 10 |
МП41А |
750 |
5*10-3
|
75 |
75*10-6
|
4,7 |
3,1 |
10 |
0,15 |
| 11 |
ГТ309Б |
4500 |
9*10-3
|
120 |
250*10-6
|
1,8 |
1,3 |
20 |
0,05 |
| 12 |
ГТ322Б |
2500 |
4*10-3
|
85 |
85*10-6
|
3,3 |
2,0 |
35 |
0,2 |
| 13 |
МП40 |
900 |
8*10-3
|
30 |
60*10-6
|
4,3 |
1,5 |
80 |
0,15 |
| 14 |
МП14 |
930 |
7*10-3
|
30 |
100*10-6
|
4,7 |
1,6 |
90 |
0,15 |
| 15 |
МП40А |
1100 |
7*10-3
|
30 |
56*10-6
|
5,1 |
2,0 |
85 |
0,15 |
| 16 |
ГТ108А |
540 |
9*10-3
|
35 |
120*10-6
|
6,2 |
2,5 |
95 |
0,075 |
| 17 |
МП39 |
850 |
7*10-3
|
28 |
55*10-6
|
4,3 |
1,7 |
85 |
0,15 |
| 18 |
ГТ309Б |
4500 |
9*10-3
|
120 |
120*10-6
|
5,1 |
2,6 |
75 |
0,05 |
| 19 |
МП15 |
1300 |
8*10-3
|
45 |
150*10-6
|
4,3 |
1,7 |
60 |
0,15 |
| 20 |
МП39Б |
1100 |
6*10-3
|
40 |
46*10-6
|
6,8 |
2,3 |
55 |
0,15 |
| 21 |
ГТ322Б |
2500 |
4*10-3
|
85 |
85*10-6
|
7,5 |
2,5 |
70 |
0,2 |
| 22 |
ГТ108А |
540 |
9*10-3
|
35 |
120*10-6
|
4,7 |
2,2 |
80 |
0,075 |
| 23 |
ГТ309Б |
4500 |
9*10-3
|
120 |
120*10-6
|
3,6 |
2,2 |
60 |
0,05 |
| 24 |
МП39 |
850 |
7*10-3
|
28 |
55*10-6
|
3,6 |
1,5 |
95 |
0,15 |
| 25 |
МП39Б |
1100 |
6*10-3
|
40 |
46*10-6
|
5,6 |
2,2 |
45 |
0,15 |
| 26 |
МП15 |
1300 |
8*10-3
|
45 |
150*10-6
|
1,8 |
1,8 |
50 |
0,15 |
| 27 |
МП39Б |
>540
|
9*10-3
|
35 |
120*10-6
|
3,0 |
1,8 |
65 |
0,075 |
| 28 |
МП39 |
850 |
7*10-3
|
28 |
55*10-6
|
2,7 |
2,0 |
80 |
0,15 |
| 29 |
МП39Б |
1100 |
6*10-3
|
40 |
46*10-6
|
4,7 |
2,1 |
40 |
0,15 |
| 30 |
ГТ309Б |
4500 |
9*10-3
|
120 |
120*10-6
|
4,3 |
1,9 |
65 |
0,05 |
| 31 |
МП15 |
1300 |
8*10-3
|
45 |
150*10-6
|
2,0 |
1,6 |
70 |
0,15 |
| 32 |
ГТ108А |
540 |
9*10-3
|
35 |
120*10-6
|
1,8 |
1,6 |
75 |
0,075 |
| 33 |
МП41А |
750 |
5*10-3
|
75 |
75*10-6
|
6,2 |
1,8 |
50 |
0,15 |
| 34 |
МП39 |
850 |
7*10-3
|
28 |
55*10-6
|
2,2 |
2,8 |
75 |
0,15 |
| 35 |
МП39Б |
1100 |
6*10-3
|
40 |
46*10-6
|
4,3 |
2,0 |
65 |
0,15 |
| 36 |
ГТ309Б |
4500 |
9*10-3
|
120 |
120*10-6
|
2,7 |
2,0 |
70 |
0,05 |
| 37 |
МП39Б |
1100 |
6*10-3
|
40 |
46*10-6
|
3,9 |
1,9 |
70 |
0,15 |
| 38 |
МП15 |
1300 |
8*10-3
|
45 |
150*10-6
|
2,4 |
2,3 |
80 |
0,15 |
| 39 |
ГТ322Б |
2500 |
4*10-3
|
85 |
85*10-6
|
6,2 |
2,5 |
80 |
0,2 |
| 40 |
ГТ108А |
540 |
9*10-3
|
35 |
120*10-6
|
2,0 |
2,5 |
60 |
0,075 |
Рис. 2.1 – Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Пример расчета
Задан транзистор ГТ-109Б.
Для этого транзистора
h11Э
= 300 Ом;
h12Э
= 12*10-3
;
h21Э
= 50;
h22Э
= 75*10-6 См ;
RК
= 3,0 кОм;
UЭ0
= 2,2 В;
fН
= 40 Гц;
PК
max
= 0,030 Вт.
Общие данные: IК0
= 1 мА; UКЭ0
= 5 В; RН
= Rвх
.
Решение
1. Падение напряжения на резисторе в состоянии покоя
UК0
= IК0
RК
= 1*10-3
*3,0*103
= 3 В.
2. Ток базы в состоянии покоя
IБ0
= IК0
/ h21Э
= 10-3
/50 = 0,02*10-3
А = 0,02 мА.
3. Ток делителя напряжения
IД
= 7*0,02 = 0,14 мА.
Ток делителя принимается равным (5…10) IБ0
.
4. Напряжение питания усилителя
ЕК
= UКЭ0
+ UК0
+ UЭ0
( по второму закону Кирхгофа).
ЕК
= 5 + 3 + 2,2 + 10,8 В.
5. Падение напряжения на резисторе R2
U2
= UЭ0
+ UБЭ0
.
UБЭ0
для германиевых транзисторов принимают равным (0,2…0,3) В.
U2
= 2,2 + 0,2 = 2,4 В.
6. Падение напряжения на резисторе R1
U1
= ЕК
- U2
= 10,8 – 2,4 = 8,4 В.
7. Сопротивление R2
R2
= U2
/IД
= 2,4/0,14*10-3
= 17,14*103
Ом = 17,14 кОм.
Принимаем номинальное сопротивление резистора 18 кОм.
8. Сопротивление R1
R1
= U1
/(IД
+ IБ0
) = 8,4/(0,14 + 0,02)*10-3
= 52,5*103
Ом = 52,5 кОм.
Принимаем номинальное сопротивление резистора 56 кОм.
9. Входное сопротивление Rвх
усилителя определяется параллельным включением сопротивлений R1
, R2
и входным сопротивлением транзистора h11Э
Тогда 1/Rвх
= 1/ R1
+ 1/ R2
+ 1/ h11Э.
1/Rвх
= 1/56000 + 1/18000 + 1/300 = 3,4*10-3 См;
Rвх
= 293 Ом.
10. Сопротивление нагрузки усилителя Rн
по условию задачи принимаем равным входному сопротивлению, поскольку нагрузкой усилительного каскада служит другой такой же каскад
Rн
= Rвх
= 293 Ом.
11. Сопротивление RЭ
RЭ
= UЭ0
/( IК0
+ IБ0
) = 2,2/(1 + 0,02)*10-3
= 2,16*103
Ом = 2,16 кОм.
Принимаем номинальное сопротивление резистора 2,2 кОм.
12. Емкость шунтирующего конденсатора в эмиттерной цепи СЭ
выбирается по нижней границе частоты с учетом эмиттерного дифференциального сопротивления транзистора rЭ
СЭ
> 1/2πfн
rЭ
, где rЭ
= 2h12Э
/h22Э
.
rЭ
= 2*12*10-3
/75*10-6
= 0,32*103
Ом = 320 Ом;
СЭ
= 1/2π*40*320 = 0,0000124 Ф = 12,4 мкФ.
Принимаем емкость конденсатора СЭ
= 13 мкФ.
13. Емкость разделительного конденсатора Ср1
на входе усилителя
С1
> 1/2πfн
Rвх
= 1/2π*40*293 = 0,0000136 Ф = 13,6 мкФ.
Принимаем емкость конденсатора С1
= 15 мкФ.
14. Емкость разделительного конденсатора на выходе усилителя С2
С2
= С1
= 15 мкФ.
15. Коэффициент усиления по напряжению
КU
= h21Э
Rкн
/h11Э
.
Rкн
– сопротивление нагрузки усилителя, которое принимается равным сопротивлению параллельного соединения Rк
, Rн
и Rвых
.
1/ Rкн
= 1/ Rк
+ 1/ Rн
+1/ Rвых
, где Rвых
= 1/h22Э
;
1/ Rкн
= 1/3400 + 1/293 + 75*10-6
= 3,78*10-3 См;
Rкн
= 264,8 Ом.
Коэффициент усиления
КU
= 50*264,8/300 = 44.
16. Мощность, рассеиваемая на коллекторе
РК
= UКЭ0
IК0
= 5*10-3
= 0,005 Вт.
По условию РК
max
= 0.03 Вт.
Таким образом, РК
< РК
max
.
Ответы:
R1
= 56 кОм; R2
= 18 кОм; RЭ
= 2,2 кОм; Rн
= 293 Ом;
С2
= С1
= 15 мкФ; СЭ
= 13 мкФ; КU
= 44.
Примечания.
1. Номинальные сопротивления резисторов стандартизированы. Для постоянных резисторов согласно ГОСТ 2825 – 67 установлено 6 рядов: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифра после буквы Е указывает число номинальных значений в каждом десятичном интервале.
Таблица 2.2 - Номинальные сопротивления по рядам
| Ряд |
Числовые коэффициенты |
| Е6 |
1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 |
| Е12 |
1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2 |
| Е24 |
1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1 |
Номинальные сопротивления в каждой декаде соответствуют указанным в таблице 2.2 числам или числам, полученным умножением или делением их на 10n
, где n – целое положительное или отрицательное число.
2. Номинальные значения емкости конденсаторов стандартизированы и выбираются из определенных рядов чисел путем умножения или деления их на 10n
, где n – целое положительное или отрицательное число. Наиболее употребляемые ряды номинальных емкостей приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 – Номинальные емкости по рядам
| Е3 |
Е6 |
Е12 |
Е24 |
Е3 |
Е6 |
Е12 |
Е24 |
| 1 |
1 |
1 |
1 |
4,7 |
3,3 |
3,3 |
3,3 |
| 1,1 |
3,6 |
||||||
| 1,2 |
1,2 |
3,9 |
3,9 |
||||
| 1,3 |
4,3 |
||||||
| 1,5 |
1,5 |
1,5 |
4,7 |
4,7 |
4,7 |
||
| 1,6 |
5,1 |
||||||
| 1,8 |
1,8 |
5,6 |
5,6 |
||||
| 2,0 |
6,2 |
||||||
| 2,2 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
6,8 |
6,8 |
6,8 |
|
| 2,4 |
7,5 |
||||||
| 2,7 |
2,7 |
8,2 |
8,2 |
||||
| 3 |
9,1 |
Список рекомендуемой литературы.
1. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учебн. пособие. –Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2002 г. -576с.
2. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. –СПб.: КОРОНА принт, 2004. -416 с.
3. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. -320 с.
Составитель Николаева Светлана Ивановна
Аналитический расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе
Задания и методические указания к выполнению семестровой работы по курсу «Общая электротехника»
Редактор
Темплан 2007 г. Поз №
Подписано в печать Формат 60 (84) 1/16
Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. Печ. Л. 0,8. Уч.-из л.
Тираж 200 экз. Заказ______
Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)
400131 Волгоград, проспект Ленина, 28
РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета
400131 Волгоград, ул. Советская,35