Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером

Питание каскада осуществляется от одного источника, напряжением Е_к. Требуется провести графоаналитический расчет рабочего режима для схемы, представленной на (рис. 1), в диапазоне частот усиливаемых колебаний от 80 Гц до 5 кГц при заданных параметрах цепи, которые указаны в таблице 1.

Рис.1 – Усилительный каскад на биполярном транзисторе

В приложении представлены входные и выходные характеристики транзистора КТ342, указанных в таблице 1, которые необходимы для проведения графоаналитического расчета усилительного каскада.

Таблица1

Исходные данные

Транзистор	ЕК, В	RK, кОм
КТ342		0,1

Входная и выходная характеристики транзистора изображены в приложении.

Так как во входной цепи транзистора при любой схеме включения протекает ток, то для расчета рабочего режима транзистора недостаточно одного семейства выходных характеристик, а требуется еще семейство, определяющее режим работы входной цепи. Следует заметить, что в справочниках обычно дана одна входная характеристика, так как входные характеристики, снятые при различных выходных напряжениях, расположены близко друг к другу.

Порядок решения задачи следующий. На семействе выходных характеристик строится линия максимально допустимой мощности, используя уравнение:

I_Kmax = P_Kmax / |U_КЭ | = 250 10^–3|U_КЭ |.

Подставляя в данное выражение значения U_КЭ, равные, например, -1,5, 2,3, 4 и 5 В, получаем значения I_К, равные 55, 42; 25 и 18 мА соответственно. Построенная по этим точкам линия P_Kmax показана на рис. 3.

КТ342 Р_Kmax = 250 мВт n-p-n

Рис. 3

Затем, используя уравнение линии нагрузки I_K = (Е – U_KЭ) / R_Н на семейство выходных характеристик наносится линия нагрузки:

при I_К = 0; U_КЭ = Е = 6 В – первая точка линии нагрузки;

при U_КЭ = 0; I_K = Е/R_H =6 /100 = 60 мА – вторая точка линии нагрузки.

Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой, соответствующей постоянной составляющей тока базы I_Б0 = 0,2 мА, определит рабочую точку. Ей будут соответствовать постоянная составляющая тока коллектора I_K0 = 31 мА и постоянная составляющая напряжения U_KЭ0 = 3 В.

Амплитуда переменной составляющей тока коллектора определяется как среднее значение: I_mK = (I_Kmax – I_Kmin) / 2 = (43-18) / 2 = 12,5 мА.

Амплитудапеременного напряжения на нагрузке: U_mR = U_mКЭ = I_mK·R_H= =12,5·100 = 1,2 В.

Коэффициент усиления по току: K_I = I_mK/ I_mБ = 12,5/0,1 = 125.

Выходная мощность: Р_ВЫХ = 0,5I_mKU_mR = 0,5·12,5·1,2 = 7,5 мВт.

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи: P₀ = EI_K0= 6·31= = 186 мВт.

КПДколлекторной цепи: η = Р_ВЫХ / Р₀ = 7,5/186 = 4,03%.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока: P_K0 = I_K0 U_КЭ0 = 31·3 = 93 мВт.

U_KЭ = 3 В.

|U_БЭ0 | = 0,66 В.

Амплитуда входного напряжения: U_mБЭ = (U_БЭmax – U_БЭmin) / 2 =

=(0,67-0,64) / 2 = 0,015 В = 15 мВ.

Модуль коэффициента усиления по напряжению: |K_U | = U_mКЭ / U_mБЭ = =1,2/0,015 = 80

Коэффициент усиления по мощности: K_Р = |K_I K_U | = 125·80 = 10⁴

Входная мощность: Р_ВХ = 0,5I_mБ U_mБ = 0,5·0,1·15 = 0,75 мкВт.

Входное сопротивление: R_ВХ =U_mБЭ / I_mБ = 15/0,1 = 150 Ом.

Сопротивление резистора: R_Б =(E – |U_БЭ0 |) / I_Б0=(6-0,66)/0,2=26,7 кОм.

Емкость конденсатора С_Р определяется из условия: 1 /(ω_НС_Р) = R_ВХ /10.

где ω_Н – низшая рабочая частота, тогда

С_Р = 10/ω_Н R_ВХ = 10/2πf_Н R_ВХ = 10/6,28·80·150 = 132,7 мкФ.

Расчет параметров усилителя для найденной рабочей точки покоя усилителя h_21Э, h_22Э, R_ВЫХ = 1/h_22Э, h_11Э, R_ВХ и h_21Э = S, а также расчет коэффициентов К_I, K_U, К_P.

Рассчитаем параметры в рабочей точке, при U_KЭ = 3 В и I_K0 = 31 мА:

по точкам В и Г (приложение) определим: h_21Э = 25/0,2 = 125.

По точкам D и Е (приложение) определим:

;

h_22Э = 2 /2,2= 0,909 мСм;

R_ВЫХ = 1/ h_22Э = 1/0,909 = 1,1 кОм,

По крайним точкам А и Б (приложение) определим параметр:

;

h_11Э = 0,03 / 0,2 = 0,15 мОм.=150 Ом

Крутизна характеристики транзистора: S =h_21Э / h_11Э=125/0,15=0,83 мA/В.

С помощью найденных параметров определим искомые значения по приближенным формулам. Коэффициент усиления по току:

K_I ≈ h_21Э = 125;

точнее, K_I = h_21Э R_ВЫХ /(R_Н + R_ВЫХ) =125·1,1/(100 +1,1) = 136,

что примерно сходится с результатом графоаналитического расчета.

Входное сопротивление: R_ВХ ≈ h_11Э = 150 Ом,

Коэффициент усиления по напряжению: K_U≈–h_21Э·R_Н/R_ВХ= –125×100/150=

-83;

Коэффициент усиления по мощности: K_Р = |K_I K_U | = 125·83 = 10375.

Дата добавления: 2015-08-31