Расчёт усилительного каскада на биполярном транзисторе, выполненного по схеме с общим эмиттером

Курсовая работа

по дисциплине «Основы схемотехники»
на тему:
«РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ, ВЫПОЛНЕННОГО ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ»

Цель работы: закрепить практические навыки расчета и измерения технических характеристик усилительных каскадов путем расчета усилительного каскада на биполярном транзисторе BSX20, выполненном по схеме с общим эмиттером

1. Расчёт параметров транзистора BSX20

1.1 Построение семейства статических входных и выходных характеристик транзистора BSX20, соответствующих схеме с ОЭ.

Снятие семейства входных характеристик транзистора BSX20, соответствующих схеме с ОЭ I_б = f(U_бэ) при U_кэ = 0 В и U_кэ = 10 В.

Д ля этого собрали схему 1 для измерения параметров транзистора.

Схема 1. Снятие семейства входных характеристик транзистора

Полученные значения I_Б и U_БЭ сведем в таблицу 1. По ним построим семейство статических входных характеристик транзистора BSX20.

Таблица 1.

Семейство статических входных характеристик транзистора BSX20 соответствующих схеме с ОЭ I_б = f(U_бэ) при U_кэ = 0 В и U_кэ = 10 В.

UКЭ=0В		UКЭ=10В
IБ	UБЭ	IБ	UБЭ
53,24 мкА	468,3 мВ	50,51 мкА	641,9 мВ
100,5 мкА	485,2 мВ	99,51 мкА	659,4 мВ
205,8 мкА	504,8 мВ	200,8 мкА	677,6 мВ
302,2 мкА	515,7 мВ	310,2 мкА	688,9 мВ
396,5 мкА	523,6 мВ	381,6 мкА	694,2 мВ
519,7 мкА	531,8 мВ	497,5 мкА	701,1 мВ
657,8 мкА	539,2 мВ	588,5 мкА	705,4 мВ
759,7 мкА	543,9 мВ	722,5 мкА	710,7 мВ
900,3 мкА	549,5 мВ	940,8 мкА	717,5 мВ
1,107 мА	556,8 мВ	1,364 мА	727,1 мВ
1,444 мА	566,6 мВ	2,564 мА	743,5 мВ

По соответствующим данным построим график I_б = f(U_бэ) входных характеристик транзистора (график 1).

Снятие семейства выходных характеристик транзистора, соответствующих схеме с ОЭ I_к = f(U_кэ) при I_б = const.
Д ля этого соберем схему 2 для измерения параметров транзистора.



Схема 2. Снятие семейства выходных характеристик транзистора

Полученные значения тока коллектора транзистора I_к и напряжения между коллектором и эмиттером транзистора U_кэ при постоянном значении тока базы I_б = 25 мкА; I_б = 50 мкА; I_б = 75 мкА; I_б = 100 мкА; I_б = 125 мкА; I_б = 150 мкА сведем в таблицу 2. По ним построим семейство статических входных характеристик I_к = f(U_кэ) при I_б = const транзистора BSX20.

Таблица 2.
Семейство статических выходных характеристик транзистора BSX20 соответствующих схеме с ОЭ I_к = f(U_кэ) при I_б = const.

UКЭ	IК при IБ=25 мкА	IК при IБ=50 мкА	IК при IБ=75 мкА	IК при IБ=100 мкА	IК при IБ=125 мкА	IК при IБ=150 мкА
0 В	24,95 мкА	49,86 мкА	-74,7мкА	-99,53мкА	-124,3мкА	-149,0 мкА
0,5 В	1,695 мА	3,037 мА	4,184 мА	5,201 мА	6,125 мА	6,997 мА
1,0 В	1,704 мА	3,053 мА	4,205 мА	5,227 мА	6,156 мА	7,013 мА
2,0 В	1,721 мА	3,083 мА	4,247 мА	5,280 мА	6,218 мА	7,083 мА
3,0 В	1,738 мА	3,114 мА	4,289 мА	5,332 мА	6,280 мА	7,153 мА
4,0 В	1,755 мА	3,144 мА	4,331 мА	5,385 мА	6,341 мА	7,224 мА
5,0 В	1,772 мА	3,175 мА	4,374 мА	5,437 мА	6,403 мА	7,294 мА
6,0 В	1,789 мА	3,206 мА	4,416 мА	5,490 мА	6,465 мА	7,365 мА
7,0 В	1,806 мА	3,236 мА	4,458 мА	5,542 мА	6,527 мА	7,435 мА
8,0 В	1,823 мА	3,267 мА	4,500 мА	5,595 мА	6,588 мА	7,505 мА
9,0 В	1,840 мА	3,298 мА	4,542 мА	5,647 мА	6,650 мА	7,576 мА
10 В	1,857 мА	3,328 мА	4,585 мА	5,699 мА	6,712 мА	7,646 мА
15 В	1,943 мА	3,481 мА	4,795 мА	5,962 мА	7,021 мА	7,998 мА
20 В	2,028 мА	3,634 мА	5,006 мА	6,224 мА	7,330 мА	8,350 мА

По соответствующим данным построим график I_к = f(U_кэ) выходных характеристик транзистора (график 2).

1.2 Определение h – параметров транзистора BSX20 графическим путём с помощью полученных вольтамперных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером

О пределим параметр h_11э из семейства входных характеристик транзистора BSX20 I_б = f(U_бэ), полученных в пункте 1.1.1. По заданному току базы покоя I_бп=50 мкА, который определяет статический режим работы транзистора, на входной характеристике, соответствующей U_кэ=10 В, найдем рабочую точку "А", соответствующую этому току. Координаты точки "А": I_бп=50 мкА, U_бэп=641 мВ. Выберем вблизи рабочей точки "А" две вспомогательные точки приблизительно на одинаковом расстоянии и определим приращение тока базы ΔI_б и напряжения ΔU_бэ, по которым найдем дифференциальное сопротивление по формуле:

Из графика 1 получим, что I_б1=30 мкА, I_б2=80 мкА, U_бэ1=610 мВ, U_бэ2=654 мВ. Тогда h_11э определится:

Определим параметр h_12э из семейства входных характеристик транзистора BSX20 I_б = f(U_бэ), полученных в пункте 1.1.1. Для этого из рабочей точки "А" проведем горизонтальную линию до пересечения с характеристикой, снятой при U_кэ=0В. Приращение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора BSX20 определим по формуле:

ΔU_кэ= U_кэ2 – U_кэ1=10В – 0В=10В

Этому приращению ΔU_кэ соответствует приращение напряжения между базой и эмиттером транзистора:

ΔU_бэ= U_бэп – U_бэ3=641мВ – 464мВ=177мВ

Параметр h_12э определим из формулы:

Определим параметр h_21э из семейства выходных характеристик транзистора BSX20 I_к = f(U_кэ) при I_б = const. Найдем рабочую точку "А" на выходных характеристиках транзистора как точку пересечения прямой нагрузки (Е_к = 5В, R_к = 620 Ом) с выходной ветвью ВАХ для I_бп = 50 мкА.

По оси токов I_к откладываем значение Е_к/ R_к = 8,06 мА
По оси напряжения U_кэ откладываем Е_к = 5В
Получаем следующие координаты рабочей точки "А": I_кп =3,1 мА, U_кэ=3 В. Проведем из рабочей точки вертикальную прямую до пересечения с ветвями ВАХ при I_б1 = 25 мкА и I_б3 = 75 мкА. Рассчитаем приращение тока базы ΔI_б, взятого вблизи заданного значения тока базы I_бп, по формуле:

ΔI_б = I_б3 – I_б1=75 мкА – 25 мкА=50мкА

Приращению ΔI_б будет соответствовать приращение коллекторного тока, которое можно вычислить по формуле:

ΔI_к = I_к2 – I_к1=4,3 мА – 1,8 мА = 2,5 мА

Параметр h_21э определим из формулы:

Определим параметр h_22э из семейства выходных характеристик транзистора BSX20 I_к = f(U_кэ) при I_б = 50 мкА. Для этого на ветви характеристики при I_бп = 50 мкА вблизи рабочей точки "А" выберем две вспомогательные точки приблизительно на одинаковом расстоянии и определим приращение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора:

ΔU_кэ = U_кэ2 – U_кэ1= 5В – 1В = 4 В

U_кэ вызывает приращение коллекторного тока:

ΔI_к=I_к4 – I_к3=3,15мА – 3,05мА = 0,1 мА

Тогда параметр h_22э будет равен:

1.3 Найдем входное и выходное сопротивление транзистора BSX20 по формулам:

1.4 Определим коэффициент передачи по току транзистора BSX20 β

2. Расчет параметров элементов усилительного каскада с ОЭ

2.1 Расчет резистивных элементов каскада

Определение тока делителя в режиме покоя

Определение суммарного сопротивления, задающего режим покоя.

Определение напряжения на сопротивлении R_э.

Определение значения резистивных элементов (в соответствии с рядом номиналов сопротивлений Е24).

В соответствии с рядом значений сопротивлений Е24 получим, что

В соответствии с рядом значений сопротивлений Е24 получим, что

В соответствии с рядом значений сопротивлений Е24 получим, что

2.2 Расчет емкостных элементов каскада

Определение емкости конденсатора, шунтирующей сопротивление R_э по переменному току.

В соответствии с рядом значений Е24 получим, что С_э = 24 мкФ.

Определение емкостей разделительных конденсаторов.

В соответствии с рядом значений Е24 получим, что С_р1 = С_р2 = 9 мкФ.

2.3. Используя найденные параметры элементов, соберем схему 3 усилительного каскада на биполярном транзисторе BSX20, выполненном по схеме с общим эмиттером

R1 заменим реостатом с номинальным сопротивлением равным 2·R1=13,6 кОм, в соответствии с рядом значений сопротивлений Е24 получим, что 2·R1=13 кОм. Установим U_вх = 0 (условие, при котором входной сигнал отсутствует) и будем добиваться режима покоя ( , U_бэп), изменяя сопротивление переменного резистора R1.

Схема 3. Усилительный каскад на биполярном транзисторе BSX20 с ОЭ в режиме покоя

Подстроенное значение R1=6,37 кОм

3. Определение параметров усилительного каскада.

Измерим входное сопротивление усилительного каскада на биполярном транзисторе BSX20, выполненном по схеме с общим эмиттером. Для этого сначала подадим на вход схемы 3 сигнал 5 мВ при f_ср=10 кГц и снимем значения U_вх и U_вых (схема 4).

Схема 4. Усилительный каскад на биполярном транзисторе BSX20 с ОЭ в режиме холостого хода

Входное напряжение усилительного каскада U_вх=4,031 мВ

Выходное напряжение усилительного каскада U_вых=236,8 мВ
Затем во входную цепь схемы 4 добавим последовательно переменный резистор и будем изменять его сопротивление до значения, при котором вольтметр, установленный во входной цепи каскада, покажет значение U = U_вх/2.

Схема 5. Измерение входного сопротивления

Полученное значение переменного сопротивления и будет равно входному сопротивлению усилителя: R_вх=510 Ом.

Определим выходное сопротивление усилительного каскада. Для этого установим в выходную цепь каскада переменный резистор и будем изменять его сопротивление до значения, при котором вольтметр, установленный в выходной цепи каскада, покажет значение напряжения U = U_вых/2 (схема 6).



Схема 6. Измерение выходного сопротивления
транзистор сопротивление каскад напряжение
Полученное значение переменного сопротивления и будет равно выходному сопротивлению усилителя: R_вых=610 Ом.
По показаниям вольтметров и амперметров, расположенных во входной и в выходной цепях каскада, включенного в режиме согласования (схема 6), найдем значения коэффициентов усиления каскада:




- коэффициент усиления по мощности

Рассчитаем входное и выходное сопротивление, а также коэффициенты усиления через h – параметры транзистора BSX20.

Построим амплитудно-частотную характеристику усилительного каскада, собранного на транзисторе BSX20 по схеме с ОЭ. По графику определим максимальное значение коэффициента усиления по напряжению по напряжению и полосу пропускания Δf.

– максимальное значение коэффициента усиления по напряжению
граничные значения коэффициентов усиления по напряжению
Полоса пропускания:

Δf = fв – fн = 4,536 МГц – 541,116 кГц = 4,022 МГц

Вывод

я закрепила практические навыки расчета и измерения технических характеристик усилительных каскадов путем расчета усилительного каскада на биполярном транзисторе BSX20, выполненном по схеме с общим эмиттером.
В ходе работы были сняты и построены входные и выходные характеристики биполярного транзистора BSX20, выполненного по схеме с общим эмиттером, рассчитаны h – параметров транзистора (h_11э=880 Ом, h_12э=17,7·10^-3, h_21э=50, h_22э=26·10^-6 См), также были рассчитаны элементы усилительного каскада и смоделирована схема в программе Electronics Workbench.
Определив основные технические показатели и характеристики усилительного каскада и смоделировав схему, я получила следующие характеристики каскада: входное сопротивление усилителя R_вх=510 Ом (теоретически сотни Ом – единицы кОм), выходное сопротивление усилителя R_вых=610 Ом (теоретически сотни Ом – единицы кОм), коэффициенты усиления по напряжению и по току – (теоретически десятки-сотни); (теоретически десятки-сотни), коэффициент усиления по мощности – (теоретически сотни-десятки тысяч).
Построив АЧХ усилительного каскада, я измерила полосу пропускания, она получилась равной: Δf = f_в – f_н = 4,022 МГц.