Режим усиления

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

Выполнил: ст. гр. ИТ1051 ЗОТФ

Динзбург Л.И.

Вариант №14

Москва 2013

Задача 1.

По заданным статическим вольт-амперным характеристикам (ВАХ) биполярного транзистора (рис. 1 и 2) и исходным данным, для схемы включения маломощного кремниевого транзистора с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 11) выполнить следующие графоаналитические расчеты:

1) для режима усиления:

а) определить значения I_б, U_бэ, I_к, U_кэ в рабочей точке, определить мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора Р_к и на резисторе P_Rк;

б) построить зависимость тока коллектора I_к от тока базы I_б и определить по ней, при каких значениях тока коллектора и тока базы транзистор входит в режим насыщения, отметить на построенном графике участки активного режима и режима насыщения, определить по графику коэффициент передачи тока базы h_к21э (или β);

в) построить на выходных ВАХ временные диаграммы синусоидальных составляющих токов и напряжений, соответствующие максимальной амплитуде переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер, еще не приводящей к заметным искажениям (и ограничению), и рассчитать коэффициенты усиления переменного сигнала по напряжению К_u, по мощности К_р, входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых, полезную мощность в нагрузке Pr~;

2) для ключевого режима:

г) определить остаточное напряжение на открытом транзисторе U_ост, выходной ток I_{к нас}, сопротивление транзистора в состоянии «включено» R_вкл, мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора в состоянии «включено» Р_{к вкл}, ток базы, необходимый для включения транзистора I_{б вкл}, мощность, необходимую для включения транзистора Р_{вх вкл}.

Исходные данные: I_б = 30 мкА, Е_к = 3,5 В, R_к = 870 Ом.

Решение:

Рис. 1. Входная ВАХ кремниевого маломощного транзистора,

включенного с общим эмиттером

Рис 1.1. Графическое построение на входной ВАХ.

Рис. 2. Семейство выходных ВАХ кремниевого маломощного транзистора, включенного с общим эмиттером.

Рис. 3. Схема включения транзистора с общим эмиттером.

Расчет по пункту а)

На входной ВАХ (рис. 1) отмечена рабочая точка (точка А), в соответствии с заданным значением тока базы I_б = 30 мкА, U_бэ = 0,68 В (напряжение база-эмиттер, определяем по графику). Это и есть значения постоянного напряжения база – эмиттер и постоянного тока базы.

На семействе выходных ВАХ (рис. 2) строим нагрузочную линию, которая помогает определить, как напряжение источника питания распределяется между транзистором и сопротивлением R_к. Уравнение нагрузочной линии

E_к = I_кR_к + U_кэ или I_к = (E_к - U_кэ)/ R_к.

Определим две точки для построения нагрузочной линии:

1) I_к = 0, U_кэ = Е_к = 3,5 В

2) U_кэ = 0, I_к = Е_к / R_K = 3,5 / 870 = 0,00402 = 4,02 мА.

Рабочая точка (точка А на рис. 2) находится на пересечении нагрузочной линии и графика I_к(U_кэ) при I_б = 30 мкА. Ее координаты:

I_к = 1.5 мА, U_кэ = 2,19 В.

Вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора:

Р_к = I_к * U_кэ = 0,0015 * 2,19 = 0,00329 Вт = 3,29 мВт.

Мощность, рассеиваемая на резисторе:

Р_к = I_к² * R_к = 0,0015² * 870 = 0,00196 Вт = 1,96 мВт.

Расчет по пункту б)

Для построения зависимости тока коллектора I_к от тока базы I_б воспользуемся уже имеющимся семейством выходных ВАХ с проведённой на нём загрузочной линией (см. рис. 2). Значения I_к для построения графика - это ординаты точек пересечения нагрузочной линии и соответствующей ВАХ для I_б. Результат представим в виде таблицы 1 и графика (рис. 4).

Таблица 1. Зависимость тока коллектора I_к от тока базы I_б.

Iб, мкА
Iк, мА			1,5			3,4	3,65	3,65	3,65	3,65

Рис. 4. Зависимость тока коллектора I_к от тока базы I_б.

По графику видим, что при изменении тока базы от 0 до примерно 60 мкА имеет место прямо пропорциональная зависимость тока коллектора I_к от тока базы I_б, т.е. транзистор находится в активном режиме.

Коэффициент передачи тока базы h_к21э:

.

Начиная от значений тока базы I_б = 80 мкА, ток коллектора достигает величины 3,65 мА и перестаёт возрастать, несмотря на продолжающийся рост тока базы, так как рабочая точка (см. рис. 2) при I_б > 80 мкА попадает на тот участок семейства выходных ВАХ, где графики для различных токов базы практически сливаются в одну линию (эта линия соответствует режиму насыщения на семействе выходных ВАХ).

Расчет по пункту в)

Для построения временных диаграмм тока I_к и напряжения U_кэ на семействе выходных ВАХ (рис. 2) сначала находим, в каких пределах может меняться ток коллектора I_к при условии, что транзистор не входит ни в режим насыщения, ни в режим отсечки.

Ток коллектора в рабочей точке равен:

I_{к рт} = 1,5 мА; при этом ток базы: I_{б рт} = 30 мкА.

Отметим эту точку на рис. 4, там же определим точку, которая находится на границе активного режима и режима насыщения

I_{к max} = 3,0 мА; при этом ток базы: I_{б max} = 60 мкА.

Это значение больше максимально допустимого тока базы, т.к. минимально допустимый ток базы должен быть несколько больше нуля. Пусть I_{б min} = 10 мкА, тогда I_{к min} = 0,5 мА.

Максимальное значение коллекторного тока должно быть симметрично минимальному относительно среднего, т.е.,

I_{к max} = 2I_{к рт} – I_{к min} = 2* 1,5 - 0,5 = 2,5 мА; при этом ток базы: I_{б max} = 50мкА.

По значениям I_{к min} и I_{к max} находим на графике (рис.2) соответствующие значения U_{кэ min} = 1,32 В и U_{кэ max} = 3,06 В.

Временные диаграммы тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер также показаны на рис. 2.

Откладываем на входной ВАХ (рис. 1) полученные значения I_{б min} и I_{б max}, находим по ним: U_{бэ min}= 0,65 В и U_{бэ max} = 0,71 В.

Амплитуда входного напряжения:

U_{m бэ} = (U_{бэ max} - U_{бэ min}) / 2 = (0,71 - 0,65) / 2 = 0,03 В.

Амплитуда входного тока:

I_{m б} = (I_{б max} - I_{б min}) / 2 = (50 - 10) / 2 = 20 мкА = 20 * 10^-6 А.

Амплитуда выходного напряжения:

U_{m кэ} = (U_{кэ max} - U_{кэ min}) / 2 = (3,06 – 1,32) / 2 = 0,87 В.

Амплитуда выходного тока:

I_{m к} = (I_{к max} – I_{к min}) / 2 = (2,5 - 0,5) / 2 = 1 мА = 10^-3 А.

Коэффициенты усиления переменного сигнала:

по напряжению: К_U = U_{m кэ} / U_{m бэ} = 0,87 В / 0,03 В = 29.

по току: K_I = I_{m к} / I_{m б} = 1мА / 20 * 10^-3 мА = 50.

по мощности: К_Р= К_U * К_I = 29*50 = 1450.

Входное сопротивление:

R_вх = U_{m бэ} / I_{m б} = 0,03 В / 20 * 10^-6А = 1500 Ом.

Выходное сопротивление:

R_вых ⁼ U_{m кэ} / I_{m к} = 0,87 В / 10^-3 А = 630 Ом.

Полезная мощность в нагрузке:

P_R = I_{m к}² _* R_к / 2 = 0,001² * 870 / 2 = 0,000435 Вт = 0,435 мВт.

Дата добавления: 2015-05-06