Теоретические сведения, необходимые для выполнения работы. Часть I Расчет усилителя напряжения

Часть I Расчет усилителя напряжения

1.1 Задание:

1.1.1 Разработать схему резистивного усилителя.

1.1.2 Выбрать тип транзистора.

1.1.3 Определить напряжение питания коллекторной цепи Е _К.

1.1.4 Рассчитать мощность Р_0К, которая рассеивается коллектором, и сравнить ее с

допустимой Р _{К макс}.

1.1.5 Построить временные диаграммы работы.

1.1.6 Рассчитать сопротивление нагрузки в коллекторной цепи и сопротивление резистора в цепи базы.

1.1.7 Рассчитать исходную полезную мощность Р_вых и мощность расходов Р_расх.

1.1.8 Определить коэффициенты усиления по напряжению К_U, тока К _І и

мощности К_Р.

1.1.9 Определить коэффициент полезного действия (КПД).

Исходные данные

1.2.1 т =____; п ____; (т - предпоследняя, п - последняя цифры номера

студенческого билета или зачетной книжки).

1.2.2 Амплитуда входного напряжения U_{m вх} = 0,05 (1 + 0,1 п), В.

1.2.3 Амплитуда выходного напряжения U_{m вых} = (7 + 0,3 т), В.

Теоретические сведения, необходимые для выполнения работы

Усилитель – это устройство (четырехполюсник), увеличивающий мощность сигнала. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

Форма сигнала при усилении должна быть без существенных искажений.

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для создания нормальных условий восприятия информации человеком и т.д.

Схемотехника усилителей на транзисторах отличается многообразием и сложностью. Можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают:

- усилитель с общей базой (ОБ);

- усилитель с общим эмиттером (ОЭ);

- усилитель с общим коллектором (ОК).

Усилитель с общим эмиттером (ОЭ) принципиальная схема которого приведена на рис.1.1, является делителем напряжения Ек, в верхнем плече которого включен резистор нагрузки коллекторной цепи Rк, а в нижнем – транзистор VT.

Поэтому напряжение между коллектором и эмиттером составляет:

Эмиттер транзистора соединен с корпусом усилителя. Во входную цепь подается напряжение смещения Е_Б = 0,6 – 0,8В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора. Величина начального постоянного тока коллектора определяется техническими условиями эксплуатации и для маломощных транзисторов составляет I_КН=0,1…10мА.

Рисунок 1.1 – Схема усилительного каскада с ОЭ

Усиление по мощности осуществляется за счет энергии источника питания Ек=5…20В (полярность должна быть такой, чтобы закрыть коллекторный переход). Основное назначение разделительного конденсатора Ср₁ – не пропустить на вход усилителя постоянное напряжение, которое может присутствовать во входном сигнале. Кроме того, Ср₁ не пропускает на входную клемму усилителя напряжение смещения, присутствующее на базе.

Uбэ, Iб, Екэ определяют режим усилителя по постоянному току. Rб – задает ток смещения, а Rк является нагрузочным резистором.

Совокупность переменных токов и напряжений на элементах каскада определяют режим усилителя по переменному напряжению.

Напряжение питания Ек состоит из падения напряжения на резисторе нагрузки IкRк и напряжения коллектора Uкэ:

Отсюда получим уравнение линии нагрузки (нагрузочной прямой):

Нагрузочную прямую можно построить по двум точкам на осях координат:

Точка 1: Iк=0, т.е Uкэ=Ек

Точка 2: Uкэ=0, тогда Iк= Ек/Rк.

Пересечение линии нагрузки с заданной характеристикой определяет рабочую точку (РТ). Рабочая точка определяет режим транзистора, т.е. совокупность постоянных напряжений и токов в состоянии покоя (при отсутствии сигнала).

Параметры режима покоя следующие:

- постоянный ток базы I_Б= I_0Б;

- постоянное напряжение между базой и эмиттером U_БЭ=U_0Б;

- постоянное напряжение между коллектором и эмиттером U_КЭ=U_0К;

- постоянный ток коллектора Iк=I_0К.

Усилитель работает следующим образом (рис.1.2).

В начальном состоянии (при отсутствии сигнала) до момента t₀ входной ток Iвх=0, т.к. Uвх=0. Параметры РТ составляют I_Б= I_0Б; U_БЭ=U_0Б; U_КЭ=U_0К; Iк=I_0К – вокруг них размещаются мгновенные значения сигнала.

При наличии сигнала в момент t₁ на входе действует положительный полупериод входного напряжения U_max. Он увеличивает до максимальных величин напряжение базы U_Бmax и её ток I_Бmax. Транзистор дополнительно открывается и максимальный ток коллектора I_Кmax создает максимальное падение напряжения на резисторе нагрузки I_КmaxR_K (точка 3). Минимальное напряжение коллектора:

В момент t₂ на входе действует отрицательный полупериод входного напряжения U_max. Он уменьшает до минимальных величин напряжение базы U_Бmin и её ток I_Бmin. Транзистор дополнительно закрывается и минимальный ток коллектора I_Кmin создает минимальное падение напряжения на сопротивлении нагрузки I_КminR_К. Режим транзистора определяется при этом точкой 4. Напряжение коллектора максимально:

.

Таким образом, в цепи коллектора образуется увеличенная копия U_КЭ входного напряжения U_ВХ.

Выходное напряжение отличается от коллекторного только тем, что не имеет постоянной составляющей U_0К, которую не пропускает разделительный конденсатор Ср₂.

Итак, максимальное входное напряжение создает минимальное выходное и наоборот, т.е. усилитель с ОЭ переворачивает фазу входного сигнала на 180°. А форма выходного напряжения является копией входного.