5. Определение параметров усилительного каскада

5.1. Коэффициент усиления каскада по току Ki:

Ki =I_Вых/I_Вх ≈ β=40.

5.2. Входное сопротивление каскада R_Вх:

R_Вх = R_Б ║ R_ВхТр =596,87║66,7=59,99 Ом.

5.3. Выходное сопротивление каскада R_Вых:

R_Вых =R_К/(1 + h₂₂R_К) =470/(1+0,375∙10^-3∙470)= 399,66Ом.

5.4. Коэффициент усиления по напряжению Ku:

Ku = −U_maxВых/U_maxВх= −β∙(R_К/R_Вх) = − 40∙(470/59,99)= −313,39.

Знак минус говорит о том, что каскад ОЭ инвертирует фазу входного сигнала.

5.5. Коэффициент усиления по мощности Kp:

Kp = Ki∙Ku = 40∙313,39 =12535,6.

5.6. Полезная выходная мощность каскада:

5.7. Полная мощность, расходуемая источником питания:

Pист = I_К0E_К + I²_Д(R1 + R2) + I ²_Б0R1=

14∙10^-3∙12 + (1∙10^-3)²∙(16000+620) + (0,3∙10^-3)²∙16000 = 186,06мВт

5.8. КПД каскада:

η =(P_Вых/P_ИСТ) ∙ 100%= (9,57/186,06) ∙ 100%= 5,13%.

5.9. Верхняя и нижняя граничные частоты определяются из соотношения для коэффициента частотных искажений:

на нижней частоте –

И на верхней частоте –

Обычно выбирается M_Н = M_В, тогда

где C_К — ёмкость коллекторного перехода.

Определяем верхнюю и нижнюю граничные частоты:

6. Заключение.

6.1. Объяснить назначение всех элементов схемы усилительного каскада. Параметры элементов схемы выбираются на основании всего комплекса расчетов. По данным расчета выбрать стандартные резисторы и конденсаторы по справочнику.

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ) представлена на рис. 7.

Рисунок 7 - Схема каскада ОЭ

Полярность источника питания (отрицательная) E_К  обеспечивает работу транзистора в активном режиме. Во входную цепь включается источник сигнала в виде генератора с напряжением e_Г  и внутренним сопротивлением  R_Г, а в выходную - нагрузка в виде резистора R_Н  (во многих случаях нагрузка может стоять на месте резистора R_К).

Резисторы R₁ , R₂ и R_К задают требуемые постоянные составляющие токов в цепях транзистора и постоянные напряжения на его электродах - рабочую точку транзистора. От выбора рабочей точки зависит усиление каскада, КПД, искажения сигнала.  Резистор R_К задает ток коллектора покоя Iк0, а резисторы R₁ , R₂ задают ток базы покоя Iб₀, которым открывается транзистор и входит в активный усилительный режим. Для того, чтобы источник сигнала и нагрузка не влияли на режим работы транзистора по постоянному току, включены разделительные конденсаторы C_Р1 и C_Р2, имеющие в рабочем диапазоне частот малые сопротивления.

В усилительных каскадах с общим эмиттером, обычно, термостабилизация осуществляется путем создания ООС на базе резистора R_Э. Помимо стабилизации рабочей точки, R_Э оказывают серьёзное воздействие на работу усилительного каскада.

Во первых, резистор R_Э находится в цепи коллектор–эммитер, и участвует в формировании нагрузочной характеристики. Во вторых, на R_Э происходит падение переменной составляющей выходного напряжения (которая и является полезным выходным сигналом) что приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Для нейтрализации воздействия R_Э на выходной сигнал параллельно ему ставится шунтирующий конденсатор C_Э, что приводит к тому, что переменная составляющая сигнала практически без потерь проходит через конденсатор (т. к. сопротивление конденсатора с ростом частоты резко уменьшается).

Для того, чтобы конденсатор C_Э осуществлял шунтирование резистора R_Э, необходимо, чтобы емкостное сопротивление X_Cэ конденсатора было значительно ниже R_Э на всём диапазоне частот, на которых работает усилительный каскад.

Для выбора типов резисторов из справочника рассчитаем мощности рассевания на резисторах в режиме покоя:

P_R1=

P_R2=

P_Rк=

P_RЭ=

По результатам расчетов можно использовать резисторы с номинальной мощностью 0,125 Вт. Из справочника выбираем типы резисторов и конденсаторов:

- R1 - С2-1-0,125-16 кОм±5%;

- R2 - С2-1-0,125-520 Ом±5%;

- Rк - С2-1-0,125-470 Ом±5%;

- Rэ - С2-1-0,125-30 Ом±5%;

- С_Р1, С_Р2 – К50-15-16В-200 мкФ±10%;

- С_Э – К50-29-16В-470 мкФ±10%.

2. По результатам анализа усилительного каскада дать рекомендации по применению выбранного типа транзистора, оценив его коэффициенты усиления, частотные свойства, выходные напряжения и мощность в линейном режиме и КПД.

Данный тип транзистора (МП42Б) можно применять в каскадах предварительного усиления сигналов низкой и высокой частот, т.к. верхняя граница частоты работы каскада составляет 61,06 МГц, а нижняя граничная частота лежит в звуковом диапазоне. Выходная мощность каскада составляет 9,57 мВт.

Усилительный каскад с ОЭ работает в линейном режиме и КПД не может превышать   50%. Так как транзистор работает в режиме класса усиления А, то КПД небольшой – 5,13%, большая часть энергии питания рассеивается в виде тепла на коллекторе транзистора.

Литература.

1. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник под ред. Б.Л. Перельмана. –М.: Радио и связь, 1981

2. Основы промышленной электроники под ред. В.Г. Герасимова. –М.: Высшая школа, 1978, 1986

3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. –М.: Высшая школа, 1982

4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том I: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс, 2008. – 832 с.: ил.

5. Родюков М.С. Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером: методические

указания по выполнению домашней работы — М.: МГУПИ, 2008 г. 49 с.

6. Справочник по электрическим конденсаторам. Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. – М.: Радио и связь, 1983. – 576с.

7. Резисторы: Справочник. Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – М.: Радио и связь, 1991. – 528с.