Графоаналитический расчёт и исследование полупроводникового усилительного каскада (стр. 3 из 3)
Обобщенное уравнение делителя напряжения:
(1З)Мы видим, что именно нижнее плечо (по отношению к верхнему) определяет результат деления. Нужно стремиться уменьшить сопротивление верхнего плеча (из (13) видно, что при RВЕРХ = 0 выходное напряжение делителя наибольшее (Uвьгх = UВХ). Следовательно, емкостное сопротивление разделительного конденсатора CР1 должно быть меньше сопротивления нижнего плеча.
Обычно величины емкостей разделительных конденсаторов Cр1 и Cр2на входе и выходе усилительного каскада принимаются равными CР1=CР2= СР. Их значения определяются из соотношения:
XCp≤0, lR2,(14)
XCp≤0, l·2875; XCp≤ 287,5 Ом
Где
- емкостное сопротивление разделительного конденсатора, Ом (при f – Гц и Ср – Ф).1/(2πf·Cр) = 287,5
1/(2·3,141593·400·Cр)=287,5; 1/(2513,2744·Cр) = 287,5; 2513,2744·Cр = 0,003478; Ср=0,00000138 Ф=1,38 мкФ.
12. Расчет значения емкости конденсатора СЭ
Шунтирующий конденсатор Сэ предназначен для устранения (уменьшения) отрицательной обратной связи, возникающей на резисторе R3при наличии входного переменного напряжения UВХ – Эта обратная связь уменьшает коэффициент усиления каскада на частоте входного сигналаи может быть нежелательна. Именно, чтобы отвести от резистора Rэпеременную составляющую тока коллектора (считаем iЭ ≈ iK) и ставится этот конденсатор.
Очевидно, что чем меньше емкостное сопротивление этого конденсатора, тем лучше по нему отводится от Rэпеременная составляющая тока коллектора. Исходя из этих соображений, обычно принимают
XCЭ≤ 0,1RЭ, (15)
Xcэ≤ 0,1·330
Xcэ=33 Ом
где
- емкостное сопротивление шунтирующего конденсатора, Ом (при f – Гц и Сэ – Ф).33=1/(2·3,141593·400·Сэ); 33=1/(2513,2744·Сэ); 2513,2744·Сэ=1/33; Сэ=0,0303/2513,2744; Сэ=0,0000121 Ф = 12,1 мкФ.
13.Выбор номинальных значений сопротивлений, рассчитанных резисторов и емкостей конденсаторов
Полученные в результате расчетов значения R и C нормализуем в соответствии с таблицей номиналов, полагая применение в схеме элементов II группы с точностью ± 10%.
| R1 = 9,464 кОм | 9464 Ом | R1=10·10^3 Ом | R1=10 кОм |
| R2 = 2,875 кОм | 2875 Ом | R2=2·10^3 Ом | R2=2 кОм |
| Ср=1,38мкФ | Ср=0,00000138 Ф | Ср=1·10^-6 Ф | Ср=1 мкФ |
| Сэ=12,1 мкФ | Сэ=0,0000121 Ф | Сэ=12·10^-6 Ф | Сэ=12 мкФ |
R, C= a 10±n
| Класс точности | Коэффициент а | |||||||||||||||||||||||
| II ± 10% | 10 | - | 12 | - | 15 | - | 18 | - | 22 | - | 27 | - | 33 | - | 39 | - | 47 | - | 56 | - | 68 | - | 82 | - |
14.Расчет коэффициента полезного действия каскада
Коэффициент полезного действия каскада определяется из
(16)
где
- полезная мощность, передаваемая усилительным каскадом в нагрузку (представляет собой площадь треугольника, см. рисунок 3 и 5);Ркm=(1/2)·(4,3·0,007)=0,01505 Вт = 15,05 mВт.
- затраченная (бесполезно) мощность в режиме Uвх= 0 (представляет собой площадь прямоугольника под точкой А).Рк0=10·0,01=0,1 Вт
Соблюдается условие РK0< PK ДОП, гдеPK ДОП = 150mВт=0,15 Вт – допустимая мощность коллекторного перехода, взятая из приложения Г.
– мощность, потребляемая усилительным каскадом от источника питания;
Рк=0,01505 Вт + 0,1 Вт=0,11505 Вт.
Рисунок 5 – Графическое пояснение к определению к.п.д. усилительного каскада
η=(0,01505 / 0,11505)·100%=13,1%.
15. Расчет коэффициентов усиления каскада
Коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности вычисляются как отношения амплитуд выходных значений к входным:
; 
; 
(17)Величины UВХm; UВЫХm; IKm; IБm. получены при анализе работы усилительного каскада графоаналитическим методом (рисунок 3).
Ku = 4.3/0.08 =53.75 Ki = 0.007/0.00018 = 38.89 Kp =53.75·38.89 = 2090.34.
Заключение
В данной работе был произведён графоаналитический расчёт одиночного транзисторного каскада усиления. Усилитель построен на основе схемы подключения транзистора с общим эмиттером. Эта схема даёт наибольшее усиление по мощности. Коэффициент прямой передачи или усиление по току соответствует нескольким десяткам. Полученное нами значениеKi = 38.89 соответствует заданным требованиям. К достоинствам схемы, помимо большого коэффициента усиления по току, относится возможность питания схемы от одного источника (так как на базу и на коллектор подаётся напряжение одного знака). Резисторы R1 и R2 составляют делитель напряжения. Сопротивление делителя должно быть большим (несколько килоОм, нами получено около 4 кОм), иначе входное сопротивление очень мало. Изменение тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения, следовательно стабильная работа. Для расчёта были использованы графики статических характеристик транзистора: входная и выходная. Построены динамические характеристики. Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят. Основная причина – нелинейность входной характеристики транзистора. Когда на вход усилителя подан сигнал синусоидальной формы, то попадая на нелинейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменение входного тока, форма которого отличается от синусоидальной и, следовательно, выходной ток и выходное напряжение изменяют свою форму по сравнению с входным сигналом. Разделительный конденсатор С1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью С2 на выход каскада подаётся переменная составляющая Uкэ, изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Rэ применяется для термостабилизации. Он шунтирован Сэ достаточно большой ёмкости, порядка десятков микроФарад (нами получено 12,1mлФ). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора Rэ.
Коэффициент полезного действия каскада η=13,1%
Коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности: Ku = 4.3/0.08 =53.75, Ki = 0.007/0.00018 = 38.89, Kp =53.75·38.89 = 2090.34.