Федеральне агентство з освіти РФ
Уфімський державний авіаційний технічний університет
Кумертауська філія
Кафедра ПА
Курсова робота
З дисципліни "Електроніка"
Виконав: студент групи АТПП-304
Ігнатьєв І.А.
Перевірив: викладач
Зімін Н.В.
Кумертау 2010
Вступ
1. Основні поняття
1.1 Підсилювач
1.3 h-параметри біполярних транзисторів
1.4 Параметри транзистора П14
2. Розрахунок параметрів та опис принципової схеми пристрою
2.1 Вибір робочої точки
2.2 Визначення коефіцієнтів посилення транзистора П 14
2.3 Розрахуємо вхідний та вихідний опори транзистора П 14
2.4 Розрахунок елементів підсилювача
2.5 Розрахунок ємностей конденсаторів
Висновок
Список використаної літератури
Вступ
У цьому роботі проведений аналіз різних схем термостабілізації. У процесі проектування зробили аналітичний розрахунок підсилювача та варіантів його виконання.
У роботі здійснено розрахунок елементів однокаскадного підсилювача за схемою із загальною базою та розрахувати коефіцієнти посилення по струму, напрузі та потужності, вхідного та вихідного опору.
В результаті розрахунку був розроблений підсилювач низької частоти із заданими вимогами та номіналами елементів, який можна використовувати для практичного застосування.
Отримані дані можна використовувати під час створення реальних підсилювальних пристроїв.
1. Основні поняття
1.1 Підсилювач
При вирішенні багатьох інженерних завдань, наприклад при вимірі електричних і неелектричних величин, прийом радіо сигналів, контролі та автоматизації технологічних процесів, виникає необхідність у посиленні електричних сигналів. Для цього служать підсилювачі.
Підсилювач - пристрій, що збільшує енергію керуючого сигналу за рахунок енергії допоміжного джерела. Вхідний сигнал є шаблоном, відповідно до якого регулюється надходження енергії від джерела до споживача.
У сучасних підсилювачах, що широко застосовуються в промисловій електроніці, зазвичай використовують біполярні та польові транзистори, а останнім часом - інтегральні мікросхеми. Підсилювачі на мікросхемах мають високу надійність і економічність, велику швидкодію, мають надзвичайно малі масу і розміри, високу чутливість. Вони дозволяють посилювати дуже слабкі електричні сигнали.
Спрощено підсилювач (підсилювальний каскад) можна подати у вигляді блок-схеми (рис.1.):
Цей підсилювач містить нелінійний керований елемент, як правило, біполярний або польовий транзистор, споживач і джерело електричної енергії. Підсилювальний каскад має вхідний ланцюг, до якого підводиться вхідна напруга (підсилюється сигнал), і вихідний ланцюг для отримання вихідної напруги (посилений сигнал). Посилений сигнал має значно більшу потужність у порівнянні з вхідним сигналом. Збільшення потужності сигналу відбувається з допомогою джерела електричної енергії. Процес посилення здійснюється за допомогою зміни опору нелінійного керованого елемента, а отже, і струму вихідного ланцюга, під впливом вхідної напруги або струму. Вихідна напруга знімається з керованого чи споживача. Таким чином, посилення засноване на перетворенні електричної енергії джерела постійної ЕРС в енергію вихідного сигналу за рахунок зміни опору керованого елемента закону, що задається вхідним сигналом.
Основними параметрами підсилювального каскаду є коефіцієнт посилення за напругою Ku= U вих / U вх коефіцієнт посилення по струму К I = I вих / I вхі коефіцієнт посилення за потужністю
Зазвичай в підсилювальних каскадах усі три коефіцієнти посилення значно більші за одиницю. Однак у деяких підсилювальних каскадах одне із двох коефіцієнтів посилення може бути менше одиниці, тобто. До U <1 или К I <1. Но в любом случае коэффициент усиления по мощности больше единицы.
Залежно від того, який параметр вхідного сигналу (напруга, струм або потужність) потрібно збільшити за допомогою підсилювального каскаду, розрізняють каскади напруги, струму і потужності. Підсилювальний каскад напруги має коефіцієнт посилення, як правило, рівний кільком десяткам. В інженерній практиці дуже часто необхідно отримати значно більший коефіцієнт посилення за напругою, що сягає кількох тисяч і навіть мільйонів. Для вирішення такого завдання використовують багатокаскадні підсилювачі, в яких кожен наступний каскад підключений до попереднього виходу.
Залежно від виду сигналів, що підлягають посиленню, підсилювачі діляться:
1. Підсилювачі гармонійних сигналів
(Звукові сигнали виду U (t) = U O + ∑Ui * cos (ωt + φ);
2. Підсилювачі імпульсних сигналів.
3. Підсилювачі постійного та змінного струму.
4. Підсилювачі низької та високої частоти (20Гц – 20КГц).
5. Підсилювачі високої частоти.
6. Вузькосмугові та широкосмугові підсилювачі.
7. Виборчі підсилювачі.
8. Аперіодичні підсилювачі.
Способи з'єднання(зв'язку) каскадів залежить від многокаскадного підсилювача. Так, в підсилювачах постійного струму вхід наступного каскаду приєднують до виходу попереднього каскаду безпосередньо або резисторів. Такі підсилювачі називають підсилювачами з безпосереднім чи резистивним зв'язком .
підсилювач конденсатор однокаскадний термостабілізація
В підсилювачах змінної напруги (УВЧ, УНЧ та ТИПУ) для зв'язку каскадів найчастіше використовують конденсатори та резистори. Такі підсилювачі називають підсилювачами з резистивно-ємними зв'язками.
У виборчих підсилювачах, підсилювачах потужності для зв'язку каскадів між собою і для зв'язку підсилювального каскаду з навантажувальним пристроєм іноді використовують трансформатори. Такі підсилювачі називають підсилювачами із трансформаторним зв'язком.
Конденсатори та трансформатори в підсилювачах змінної напруги служать для відділення змінної складової напруги (вихідного) від постійної складової напруги на нелінійному керованому елементі, що виникає від постійної складової струму, що створюється джерелом постійної ЕРС.
За способом включення підсилювального елемента розрізняють три основних типи підсилювальних каскадів як на біполярних, так і на транзисторах польових.
Одним із найпоширеніших підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах є каскад із загальним емітером(Каскад ОЕ).
Схема підсилювального каскаду транзистора n-p-n типу з ОЕ представлена на рис.2.
Uвх, яке необхідно посилити, подається від джерела коливань на ділянку База-Емітер. На Базу також подано позитивне усунення джерела Е1, яке є прямою напругою емітерного переходу.
У кола бази протікає струм, отже, вхідний опір транзистора є невеликим.
Щоб не відбувалася втрата частини вхідної змінної напруги, внутрішній опір джерела Е1 шунтується конденсатором. Він на низькій частоті повинен мати опір у багато разів менший за вхідний опір транзистора.
Ланцюг колектора живиться від джерела Е2. Напруга джерела сучасних підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах зазвичай становить 10 - 30 У.
Для отримання посиленої вихідної напруги до неї включають опір навантаження.
Робота підсилювального каскаду відбувається в такий спосіб. Подаємо колекторний ланцюг у вигляді еквівалентного ланцюга (рис.3.).
Напруга джерела Е2 ділиться між Rн і внутрішнім опором транзистора го, який він надає постійному струм колектора.
Внутрішній опір транзистора приблизно дорівнює опору колекторного переходу для постійного струму:
Якщо у вхідний ланцюг увімкнути джерело коливань, то при зміні його
напруги змінюється струм емітера. Це спричиняє зміну r до, що призводить до перерозподілу напруги джерела Е2 між R o і r до. При цьому змінна напруга на навантаженні може бути отримана вдесятеро більше, ніж вхідна.
Зміна струму колектора приблизно дорівнює зміні струму емітера і в багато разів більше зміни струму бази, тому в схемі, що розглядається, отримують значне посилення струму і дуже велике посилення потужності.
1.2 Підсилювачі на біполярних транзисторах
У підсилювачах на біполярних транзисторах використовують три схеми підключення транзистора: із загальною базою (рис.4;
7), із загальним емітером (рис.5;
8), із загальним колектором (рис.6;
рис.4 рис.5 рис.6
рис.7 рис.8 рис.9
На рисунках 4-6 показані схеми включення транзисторів з живленням вхідних та вихідних ланцюгів від окремих джерел живлення, а на малюнках 7 - 8 - з живленням вхідних та вихідних ланцюгів транзистора від одного джерела постійної напруги.
Підсилювачі у схемі включення транзистора із загальною базою характеризуються посиленням по напрузі, відсутністю посилення по струму, малим вхідним опором та великим вихідним опором.
Типова схема підсилювального каскаду на транзисторі з ОЕ показано на рис.11.5. Вхідна посилювальна змінна напруга UВХ підводиться до входу транзистора через розділовий конденсатор СР1. Конденсатор СР1 перешкоджає передачі постійної складової напруги вхідного сигналу на вхід підсилювача, яка може викликати порушення режиму роботи постійного струму транзистора VT. Посилена змінна напруга, що виділяється на колекторі транзистора VT, підводиться до зовнішнього навантаження з опором RН через конденсатор роздільний СР2. Цей конденсатор служить для поділу вихідного колекторного ланцюга від зовнішнього навантаження постійною складовою колекторного струму IК0. Значення IК0 та інших постійних складових струму та напруг у ланцюгах транзистора залежать від початкового режиму роботи (початкового положення робочої точки), що задається за відсутності сигналу.
Рис.11.5. Підсилювач на біполярному транзисторі з ОЕ
Робочою точкою транзистора називають точку перетину динамічної характеристик (навантажувальної прямої) з одним із статичних вольт-амперних характеристик. Це положення визначається на характеристиках сукупністю постійних складових струмів та напруг у вихідний IК0, UКЕ0 та вхідний IБ0, UБЭ0 ланцюгах.
Робота підсилювального каскаду пояснюється рис.11.6. 
Рис.11.6. Графічна ілюстрація роботи підсилювального каскаду на транзисторі з ОЕ
Процес посилення сигналу можна відобразити наступним взаємозв'язком електричних величин:
UВХm→IБm→IКm→IКmRК→(UКЕm= ЄПІТ - IКmRК) = UВИХm.
Малюнок показує, що напруга вхідного сигналу з амплітудою UВХm = UБЕmсинфазно змінює величину струму бази. Ці зміни базового струму викликають у колекторному ланцюзі пропорційні зміни струму колектора та напруги на колекторі, причому амплітуда колекторної напруги виявляється значно більшою за амплітуду напруги на базі. Напруги сигналу на вході і виході каскаду зсунуті між собою фазою на 180º, тобто. знаходяться у протифазі. p align="justify"> При роботі транзистора в активному (підсилювальному) режимі робоча точка повинна знаходитися приблизно посередині відрізка АВ навантажувальної прямої. Граничні зміни вхідного струму бази мають бути такими, щоб робоча точка не виходила межі відрізка АВ. На рис.11.7 показано часові діаграми роботи транзисторного каскаду при правильному виборі точки спокою та величини вхідного сигналу. Дуже важливо забезпечити правильно як величину вхідного сигналу, а й струм спокою. При малому початковому струмі спокою при мінімальному сигналі транзистор не відкриється і перебуватиме в режимі відсікання, при великому зсуві та високому рівні сигналу він може потрапити в насичення. Мал. 11.8. показує напругу на колекторі транзистора: а - при недостатньому струмі зміщенні; б - при надмірному струмі усунення; - при надмірному вхідному сигналі. 
Рис.11.7. Тимчасові діаграми роботи транзисторного підсилювача у схемі з ОЕ
Початкове положення робочої точки забезпечується дільником напруги, що складається з резисторів R1і R2, значення опорів яких визначають із співвідношень: R1 = (EK - UBE0 - URE) / (IД + IБ0); R2 = (UBE0 + URЕ) / IД, де IД = (2 ... 5) IБ0 - струм в ланцюзі дільника.
Забезпечуючи режим роботи транзистора необхідно здійснити температурну стабілізацію положення робочої точки (зменшити вплив температури на початкове положення робочої точки). З цією метою в емітерний ланцюг введено резистор RЕ, на якому створюється напруга ООС по постійному струму URE.
Рис.11.8. Тимчасові діаграми колекторної напруги при неправильних режимах
ООС у цій схемі діє так: при зміні, наприклад, температури транзистора збільшується струм колектора. Це викликає відповідне збільшення струму емітера та падіння напруги на ньому. Отже, напруга UБЕ = UБ - UЕ, яка є керуючим для транзистора, зменшується, транзистор замикається, струм колектора зменшується та повертається в заданий режим. Введення ООС зменшує коефіцієнт посилення схеми. Для того, щоб зворотний зв'язок діяла тільки по постійному струму і для усунення ООС змінного струму резистор РЕ шунтують конденсатором СЕ, опір якого на частоті сигналу, що посилюється, має бути незначним. При аналізі схеми вважатимуться, що ООС по змінному струму відсутня. У такому разі коефіцієнт посилення каскаду по струму
У підсилювачах на біполярних транзисторах використовується три схеми підключення транзистора: із загальною, із загальним емітером, із загальним колектором.
У схемі включення транзистора із загальним емітером підсилювач забезпечує посилення за напругою, струмом, потужністю. Такий підсилювач має середні значення вхідного та вихідного опору в порівнянні зі схемами включення із загальною базою та загальним колектором.
Параметри транзистора значною мірою залежить від температури. Зміна температури навколишнього середовища призводить до зміни робочого режиму транзистора у простій схемі підсилювача при включенні транзистора із загальним емітером.
Для стабілізації режиму роботи транзистора за зміни температури використовують схеми емітерної стабілізації режиму роботи транзистора.
На рисунках 5.14 та 5.15 наведено схеми однокаскадних підсилювачів на біполярних транзисторах n-p-n та p-n-p типів з емітерною температурною стабілізацією режиму роботи транзистора.
Простежимо ланцюги, якими протікають постійні струми в підсилювачі за схемою малюнка 5.14. Постійний струм дільника напруги протікає ланцюгом: плюс джерела живлення, резистори R1, R2, мінус джерела живлення. Постійний струм бази транзистора VT1 протікає ланцюгом: плюс джерела живлення, резистор R1, перехід база-емітер транзистора VT1, резистор Rе, мінус джерела живлення. Постійний струм колектора транзистора VT1 протікає ланцюгом: плюс джерела живлення, резистор RК, висновки колектор-емітер транзистора, резистор Rе, мінус джерела живлення. Біполярний транзистор у складі підсилювача працює в режимі, коли перехід база-емітер зміщений у прямому напрямку, а перехід база-колектор - у зворотному. Тому постійна напруга на резисторі R2 дорівнюватиме сумі напруги на переході база-емітер транзистора VT1 і напруги на резисторі Rе: UR2 = Uбе + URе. Звідси випливає, що постійна напруга на переході база-емітер дорівнює Ube = UR2 - URе.
Читайте також:
|
У схемі включення транзистора із загальним емітером підсилювач забезпечує посилення за напругою, струмом, потужністю. Такий підсилювач має середні значення вхідного та вихідного опору в порівнянні зі схемами включення із загальною базою та загальним колектором.
як спокою, тобто. за відсутності вхідного сигналу (U вх = 0), постійний струм I БО під дією ЕК проходить по ланцюгу + ЕК – Е- Б- R Б - -Е К. Величина цього струму підбором значень R Б задається такою, щоб транзистор був напіввідкритий, тобто. напруга у ньому становило приблизно половину E К. У свою чергу, при великому струмі бази транзистор повністю відкривається, тобто. його опір між емітером та колектором дуже мало, напруга U ЕК майже нульова, а при І Б = 0 транзистор повністю закритий, тобто. опір велике і він мало пропускає струм I До.
Конденсатор Р1 служить для включення джерела змінної вхідний ЕРС Е вх, з внутрішнім опором R вх в ланцюг бази. Конденсатор зв'язку Р2 служить виділення на навантаженні R н змінної складової колекторного напруги.
18. Визначення початкових умов, які забезпечують заданий режим роботи підсилювача з ОЕ
Розглянемо RC-підсилювач у якому транзистор включений до схеми із загальним емітером і використовується емітерна стабілізація початкового режиму роботи.
Струми в ланцюзі знаходять за формулами:
Припустимо, що i Б = i Б2 тоді:
Припустимо, що напруга живлення Ек задано та потрібно забезпечити початковий режим роботи при заданому початковому струмі I К Н.
Враховуючи, що i Е » i K:
Вибирається струм i справ дільника напруги на резисторах R 1 і R 2 протікає при відключенні бази транзистора від дільника.
Важливим параметром є коефіцієнт посилення підсилювача за напругою, що знаходять за формулою:
19. Операційні підсилювачі (ОУ): сфери застосування, умовне графічне зображення, структурна схема. Призначення елементів структурної схеми
