ПІДСИЛЮВАЛЬНИЙ КАСКАД НА БІПОЛЯРНОМУ ТРАНЗИСТОРІ

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

З ДИСЦИПЛИНИ «ТВЕРДОТІЛА ЕЛЕКТРОНІКА»

ПІДСИЛЮВАЛЬНИЙ КАСКАД НА БІПОЛЯРНОМУ ТРАНЗИСТОРІ

Виконав: студ. гр. ЕМБ-43В

Замурій Олег Володимирович

__________

Керівник: доц.

Куліченко В’ячеслав Вікторович

__________

Харків 2014 рік

Завдання

Тип транзистора	№ схеми	Е, В	Uce, В	Ic, мА	Rн, Ом	Rг, Ом
КТ373А				3,5			-20..+70

ЗМІСТ

Вступ 4

1. Опис схеми підсилювального каскаду 6

2. Експлуатаційні параметри та характеристик 8

3. Розрахунок каскаду за постійним струмом 12

4. Низькочастотні параметри та еквівалентні схеми транзистора 29

5. Розрахунок каскаду за змінним струмом 35

Висновок 41

Перелік використаної літератури 42

ВСТУП

Електроніка – це галузь науки, що вивчає та використовує різні електронні схеми в електротехніці.

Промислова електроніка має дуже важливе значення, бо вона впроваджена в усі галузі науки і техніки. Головною її метою, на сьогодення, є вирішення важливих наукових і технічних питань усіх галузей. Питання виміру, керування та інтенсифікації технологічних процесів с легкістю можуть бути вирішені фахівцем, який має добру кваліфікацію в електроніці.

Сучасний етап розвитку промислової електроніки характеризується тенденціями освоєння інтегральної бази, що посилюється, і пошуком нових структурних рішень при проектуванні електронної апаратури. При цьому вирішується завдання підвищеної надійності роботи, зниження винищувальної апаратури.

Електроніка сьогодні – це не тільки обробка та передача величезних потоків сигналів ті інформації, алей й рішення різноманітних за обсягом та складністю завдань, забезпечення автоматичного керування процесів, ефективне використовування медичних приборів та приладів побуту. Сучасний розвиток електроніки тісно пов’язан із розвитком напівпровідникових матеріалів.

Біполярний транзистор є одним із найпоширеніших приладів електроніки, на основі якого створюються цифрові інтегральні мікросхеми, статичні перетворювачі, підсилювачі.

У даному курсовому проекті зважується задача проектування підсилювача потужності на основі біполярного транзистора. У задачу входить вибір та аналіз типів електронних схем, що використовуються в сучасній електроніці, а також практичне ознайомлення х фізикою процесів у біполярному транзисторі. Вибір активних і пасивних елементів є важливим етапом у забезпеченні високої надійності та стійкості роботи системи. Для розробки даного підсилювача потужності варто зробити попередній розрахунок і оцінити кількість і тип основних елементів. Після цього варто вибрати принципову схему попереднього підсилювального каскаду. Оптимізація вибору складених компонентів полягає в тому, що при проектуванні підсилювача варто використовувати такі елементи щоб їхні параметри забезпечували максимальну ефективність пристрою по заданих характеристиках, а також його економічність з погляду витрат енергії живлення і собівартості вхідних у нього компонентів.

Головною метою даної курсової це вивчення параметрів біполярних транзисторів та методів розрахунку схем підсилювальних каскадів за постійним та змінним струмом, дослідження впливу температури навколишнього середовища на положення робочої точки.

1. ОПИС СХЕМИ ПІДСИЛЮВАЛЬНОГО КАСКАДУ

На рис. 1.1. наведена схема підсилювального каскаду змінної напруги на біполярному транзисторі з емітерною стабілізацією положення робочої точки і базовим дільником напруги, яка одержала найбільше застосування. Схема має транзистор КТ373А n-p-n-типу, що включений за схемою із загальним емітером.

Рисунок 1.1 – Схема підсилювального каскаду

Джерело вхідного сигналу змінного струму з ЕРС е_г і опором R_г підключено до входу підсилювача через розподілю вальний конденсатор С1. Підсилений сигнал змінної напруги створюється на резисторі R3 і через розподілю вальний конденсатор С2 передається на резистор навантаження R_н.

Живлення здійснюється за допомогою джерела живлення Е. За допомогою резисторів R1 та R2 створюється необхідний базовий струм, тобто ці резистори виступають як базові дільники струму.

Одним із недоліків сучасних біполярних транзисторів є залежність струму колектора від температури навколишнього середовища. На резисторі R4 здійснюється температурна стабілізація положення робочої точки – негативний зворотний зв’язок за струмом колектора. Цей зв’язок необхідний для стабілізації робочої точки підсилювача при зміні температури навколишнього середовища або розкиду статичного коефіцієнта передачі струму бази. Для усунення негативного зворотного зв’язку за змінним струмом на резисторі R4 він зашунтований конденсатором С_Е.

Резистор R3 є навантаженням за постійним струмом, на ньому створюється підсилений сигнал змінної напруги. Який через розподілю вальний конденсатор С2 передається на резистор навантаження R_н.

Ємності усіх конденсаторів розраховуються таким чином, щоб падіння напруги на них від змінних складових струмів не вносили помітних змін до роботи підсилювачів, коли вони працюють на нижчій частоті робочого діапазону частот підсилювача.

2. ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ПАРАМЕТРИ ТА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

КТ373А – кремнієвий планарно-епітоксіальний n-p-n транзистор. Використовується для роботи в схемах підсилення та створення коливань високої частоти у швидкісних імпульсних та в других схемах.

Корпус пластиковий, герметичний, із гнучкими виводами. Маса транзистора не більше 0.2 г.

Таблиця 1. Електричні параметри

Максимально – припустимі параметри:

I_cmax=50 мА, постійний струм колектору;

U_cb=30 В, постійна напруга колектор-база;

U_cer=30 В, постійна напруга колектор-емітер;

T_jmax=150 C, температура переходу;

R_thja=0,61 С/мВт, тепловий опір переходу – навколишнє середовище;

Допустима температура навколишнього середовища, С -40…+85.

За довідковими даними будуємо суміщені статичні характеристики транзистора: у першому квадранті - вихідні характеристики, у третьому – вхідну характеристику при U_CE=5 В. На вихідні характеристиках через робочу точку Q (I_c=3,5мА; U_CE=4 В) і точку холостого ходу (Е=8 В) проводимо лінію навантаження за постійним струмом. У другому квадранті подуємо динамічну характеристику прямої передачі по точках перетину лінії навантаження з вихідними характеристиками, що відповідають визначеним базовим струмом.

На вихідних характеристиках виділяємо робочу область, обмежену максимально припустимими параметрами I_cmax=50 мА і U_CEmax=5 В і потужністю P_Cmax:

,

де - максимально припустима температура колекторного переходу;

- максимальна температура навколишнього середовища;

– загальний тепловий опір.

Із виразу знаходимо

.

І дані розрахунку заносимо у таблицю 2.

Таблиця 2.

3. РОЗРАХУНОК КАСКАДУ ЗА ПОСТІЙНИМ СТРУМОМ

На рис. 3.1 наведена еквівалентна схема каскаду за постійним струмом, на основі якій розрахуємо опори резисторів схеми живлення.

Рисунок 3.1 – Еквівалентна схема каскаду за постійним струмом

Основну роль у стабілізації положення робочої точки грає резистор R4. Тому його опір повинен бути максимально можливим. Але при цьому необхідно урахувати, що при збільшенні значення опору резистору R4 зменшується амплітуда змінної напруги через те, що напруга живлення фактично зменшується на величини падіння напруги на резисторі R4. Тому обмежимо ці падіння напруги на 0,2Е,

, (3.1)

де I_B=15 мкА

438,356 Ом.

Для покращення температурної стабілізації положення робочої точки візьмемо значення струму дільника

Склавши рівняння за другим законом Кірхгофа для відповідних контурів, розрахуємо опори резисторів R3, R2 та R1.

Після приведення ГОСТ 2825-67 отримуємо R4=430 Ом.

; (3.2)

де U_BE=0,675 В (рис.2.1).

Після приведення ГОСТ 2825-67 отримуємо R2=2 кОм.

(3.4)

Після приведення ГОСТ 2825-67 отримуємо R3=680 Ом.

(3.6)

де

Після приведення ГОСТ 2825-67 отримуємо R1=4,7 кОм.

Перевіримо вірність розрахунку опорів резисторів за виразом (3.7):

Постійний струм колектору в ідеалізованій математичній моделі біполярного транзистора визначається за формулою:

де h21E – статичний коефіцієнт передачі струму бази, що надається у довідниках; – зворотний струм колектора при розімкненому виводі емітера, що є обов`язковим довідковим параметром; – постійний струм бізи. Другий додаток у рівнянні визначає струм колектора при розімкненому виводі бази, тобто при . Із виразу (3.8) отримуємо: Коефіцієнт передачі струму емітера h21B визначимо через коефіцієнт h21E, як:

Дослідження впливу температури навколишнього температури середовища на положення робочої точки проведемо на основі еквівалентної узагальненої схема (рис.3.2), до якої потім приведемо задану схему (рис.3.1).

Рисунок 3.2 – Узагальнена схема живлення

Значення опорів R_E, R_C, R_B та ЕРС джерел E_B та E_C еквівалентної схеми знайдемо через опори та ЕРС джерела живлення E стабілізованої схеми (рис.3.1) за умовами еквівалентної схем при підключених транзисторах. Для цього використаємо теорему про еквівалентний генератор і отримаємо вирази:

R_E = R₄; (3.11)

Замінивши у схемі (рис.3.2) транзистор на його еквівалентну схему для постійного струму, отримуємо еквівалентну схему:

Рисунок 3.3 – Еквівалентна узагальнена схема живлення

Скориставшись методом накладання, отримаємо вираз для струму бази:

;

(3.14)

де

Із виразу (3.17) наочно можна побачити негативний зворотний зв`язок за постійним струмом колектора I_C. Коефіцієнт g при струмі I_C, отримаємо вираз для струму бази у схемі (рис.3.1) через параметри транзистора та еквівалентної узагальненої схеми живлення (рис.3.3):

,

(3.15)

мА.

Підставивши у (3.8) рівняння (3.14), отримаємо вираз для постійного струму колектора через ці ж параметри:

,

(3.16)

мА.

Множник перед квадратною дужкою називають загальним коефіцієнтом температурної нестабільності схеми живлення і позначають буквою S, тобто:

,

(3.17)

Із виразу (3.17) видно, що зменшення прирощення струму I_C досягається зменшенням коефіцієнта S, для чого в узагальненій схемі (рис3.3) належить збільшувати опір резистора R_E та зменшувати опір резистора R_B. Максимальне значення коефіцієнта S має у нестабілізованій схемі.

Для оцінки ефективності температурної стабілізації положення робочої точки розглянемо температурну залежність струму колектора для нестібілізованої схеми, наведеної на рис 3.4, для цієї ж робочої точки.

Рисунок 3.4 – Нестабілізована схема живлення.

Розрахуємо опори резисторів R_CH, R_BH через значення постійних струмів I_C та напруг U_CE та U_BE у робочій точці за рівнянням:

,

(3.18)

Ом;

,

(3.19)

Ом.

Згідно з номінальних опорів обираємо резистори:

R_CH = 1,1 кОм;

R_BH = 47 кОм;

Для не стабілізованої схеми (рис.3.4) маємо: R_E=0; g=0; E_C=E_B=E; S_H=h_21E=23,325.

Розрухуємо струми I_C та I_B:

А;

мА.

Розрахуємо температурні залежності. У вирази для знаходження струмів І_С та І_В входять величини h_21E, I_CB0 та U_BE, значення яких залежать від температури:

;	(3.20)
де ;	(3.21)

де - температурний коефіцієнт, що знаходиться за виразом:

;

(3.22)

де С_А - емпіричний коефіцієнт, що приймається для кремнієвих транзисторів 0,005

Залежність струму І_СВ0 від температури обумовлюється зміною концентрацій неосновних носіїв заряду і розраховується за виразом:

;

(3.23)

де λ- температурний коефіцієнт, що приймається для кремнієвих транзисторів 0,07 .

Залежність постійної напруги U_BE від температури, визначається за виразом:

;

(3.24)

де В- температурний коефіцієнт, що приймається для кремнієвих транзисторів 0,002 .

Розрахунок температурних залежностей зробимо на персональному комп’ютері. Дані розрахунків занесені у таблицю 3.1.

Таблиця 3.1 – температурні залежності

T, ºC			ICB0, мА	UBE, В	IBH, мА	ICH, мА	IBCT, мА	IСCT, мА
-20	0,9504	19,171	0.000003	0,755	0,1483	2,84	0,1533	3,1889
-10	0,9525	20,082	0.000006	0,735	0,1487	2,98	0,1573	3,2899
	0,9547	21,082	0.000012	0,715	0,1491	3,14	0,1564	3,3727
	0,9668	22,178	0.000024	0,695	0,1496	3,31	0,1556	3,4989
	0,9590	23,390	0.00005	0,675	0,15	3,51	0,15	3,5
	0,9611	24,736	0,0001	0,655	0,1504	3,72	0,1478	3.5712
	0,9632	26,239	0,0002	0,635	0,1508	3,96	0,1434	3,6500
	0,9654	27,928	0,0004	0,615	0,1512	4,23	0,1399	3,7345
	0,9675	29,841	0,0008	0,595	0,1516	4,55	0,1343	3,8456
	0,9697	32,025	0,0016	0,575	0,152	4,92	0,1301	3,8951

За таблицею 3.1 побудуємо графічні залежності статичного коефіцієнту передачі струму бази, статичного коефіцієнту передачі струму емітера, струму колектор-база, напруги база-емітер, струму колектора, струму базі від температури.

Рисунок 3.5 – Температурна залежність статичного коефіцієнту передачі струму бази

Рисунок 3.6 – Температурна залежність статичного коефіцієнту передачі струму емітера

Рисунок 3.7 – Температурна залежність струму колектора-база

Рисунок 3.8 – Температурна залежність напруги база-емітер

Рисунок 3.9 – Температурна залежність струму колектора

Рисунок 3.10 – Температурна залежність струму бази

Для визначення повного прирощення струму колектора ∆I_C при зміні температури навколишнього середовища необхідно врахувати весь вплив кожного із трьох залежних від температурі параметрів: h_21E, U_BE, I_CB0:

;

(3.25)

де - часткові похідні.

Кожна часткова похідна у цьому рівнянні є частковим коефіцієнтом нестабільності за відповідним параметром і його можна записати як:

;

(3.26)

де S_h21E – коефіцієнт нестабільності, що ураховує зміну h_21E;

S_U – коефіцієнт нестабільності, що ураховує зміну U_BE;

S_I – коефіцієнт нестабільності, що ураховує зміну I_CB0.

Для стабілізованої схеми:

,

(3.27)

А;

,

(3.28)

См;

,

(3.29)

.

Візьмемо різницю при температурах 40 та 20 ⁰С.

За даними таблиці 3.1 маємо:

В;

мА;

За формулою (3.26) знайдемо прирощення струму колектора:

мА.

За таблицею 3.1 різниця струму колектора при температурах 40 та 20 ⁰С дорівнює 0,15 мА.

;

(3.31)

.

Зробимо аналогічний розрахунок для нестабілізованої схеми (рис. 3.4):

,

(3.30)

А;

,

(3.31)

А;

За формулою (3.27) знайдемо прирощення струму колектора:

мА.

За таблицею 3.1 різниця струму колектора для нестабілізованої схеми дорівнює 0,45 А, отже перевіримо похибку за формулою (3.31):

.

Можна зробити висновок, що найбільше значення на зміну струму колектора оказує h_21Е. Прирощення колектора , яке обумовлене технологічним розкидом параметра h_21Е у робочій точці при :

при h_{21Е max} = 25:

мА;

;

Розрахуємо втрати потужності у резисторах кіл живлення не стабілізованої та стабілізованої схеми.

Для не стабілізованої схеми:

;

Вт.

Для стабілізованої схеми:

;

4. НИЗЬКОЧАСТОТНІ ПАРАМЕТРИ ТА ЕКВІВАЛЕНТНІ СХЕМИ ТРАНЗИСТОРА

При розрахунку параметрів каскаду за змінним струмом, коли зміна напруги і струмів транзистора проходить у зоні лінійних ділянок його характеристик, транзистор у схемах каскаду замінюють його еквівалентними схемами. Для цього використовують низькочастотні еквіваленти схеми транзистора з власними параметрами (рис. 4.1), що відображають фізичні якості структури транзистора, або з формальними гібридними параметрами еквівалентного транзистору чотирьохполюсника (рис. 4.2).

Рисунок 4.1 – Еквівалентна схема із власними параметрами

Власні параметри не залежать від схеми включення транзистора. Власними параметрами є:

r_e та r_c – диференційні опори емітерного та колекторного переходів;

r_bb’ – опір бази;

r_bb’’ – диференційний опір бази, щовраховує внутрішній зворотній зв'язок за напругою у транзисторі;

β – диференційний коефіцієнт передачі струму бази у нормальному активному режимі.

Рисунок 4.2 – Еквівалентна схема з h- параметрами

У схемі (рис. 4.2):

h_11E – малосигнальний вхідний опір;

h_21E – малосигнальний коефіцієнт передачі струму бази;

h_12E – малосигнальний коефіцієнт звротнього зв’язку за напругою, що зумовлено модуляцією ширини базового шару;

h_22E – вихідна мало сигнальна провідність;

Простота вимірювання h-параметрів зумовлює їх переважне використання. Значення h-параметрів залежить від схеми включення транзистора і можуть визначатися графічно за відповідними статичними характеристиками.

Визначимо h_e - параметри за статичними характеристиками транзистора (див. Додаток А):

Вхідний опір h_11e визначається у робочій точці Q’ на вхідній характеристиці за виразом (рис. 2):

Ом.

Коефіцієнт прямої передачі струму бази h_21E у робочій точці Q на вихідних характеристиках (рис. 2):

.

Вихідна провідність h_22E – за вихідними характеристиками у робочій точці Q (рис. 2):

См.

Параметр h_12E графічно визначити неможливо, бо він характеризує зміну напруги U_BE, що забезпечує сталість базового струму при модуляції ширини базового шару, що спричиняється малими змінами напруги U_CE, що не відображається на вхідних характеристиках. Тому для визначення коефіцієнта зворотного зв’язку по напрузі h_12E належить скористатися рівнянням зв’язку параметрів h_12E та h_22E.

;

(4.1)

де ­– температурний потенціал, що дорівнює 0,025 В при кімнатній температурі t₀=20⁰C;

I_E – постійний струм емітера у робочій точці.

.

Правильність визначення h-параметрів схеми перевіримо за значеннями визначника:

,

(4.2)

що відповідно із фізичними процесами у структурі транзистора повинен задовольняти умові 0<Δh_e<1:

.

Значення h-параметрів залежать від схеми включення транзистора. Якщо порівняти схеми включення транзистора із спільним емітером і спільною базою, виразити напруги та струми однієї схеми через напруги та струми іншої, то отримаємо вирази для визначення h_b –параметрів схеми із СБ через h_е –параметри схеми із СЕ:

Вхідний опір у схемі із СБ:

,

(4.3)

Ом;

Коефіцієнт зворотного зв’язку по напрузі у схемі із СБ:

,

(4.4)

;

Статичний коефіцієнт передачі струму: ,

(4.5)

;

Вихідна провідність:

,

(4.6)

См.

Через h_E – параметри можна також визначити і власні параметри транзистора. Для цього треба розглянути схему (рис. 4.1) при холостому ході на вході та короткому замиканні на виході і отримати вирази для h_E – параметрів чотирьохполюсника, еквівалентного даній схемі. А із цих виразів отримаємо вирази для власних параметрів через h_E – параметри:

Диференційний опір емітерного переходу визначається як:

,

(4.7)

Ом;

Опір бази: ,

(4.8)

Ом;

Диференційний опір бази визначаємо за наступним рівнянням: ,

(4.9)

Ом;

Також треба визначити диференційний опір емітерного переходу: ,

(4.10)

Ом;

Нарешті визначимо диференційний коефіцієнт передачі струму бази у нормальному активному режимі:

, (4.11)

.

5. РОЗРАХУНОК КАСКАДУ ЗА ЗМІННИМ СТРУМОМ

Для розрахунку каскаду за змінним струмом складемо еквівалентну схему каскаду (рис. 5.1) для змінного струму. Для цього закоротимо джерело живлення Е і всі конденсатори С, С_Е, С1, С та С_ф з огляду на те, що їх опори для змінних складових струмів дорівнюють нулю. Транзистор замінимо його еквівалентною схемою з h – параметрами. Еквівалентна схема каскаду за змінним струмом має вигляд:

Рисунок 5.1 – Еквівалентна схема каскаду за змінним струмом

Головними параметрами схеми є коефіцієнти підсилення за напругою та струмом.

Розрізняють чотири коефіцієнта підсилення:

– коефіцієнт підсилення змінної напруги транзистора;

;

– коефіцієнт підсилення змінної напруги схеми підсилювача;

;

– коефіцієнт підсилення змінного струму транзистора;

;

– коефіцієнт підсилення змінного струму схеми підсилювача;

;

Крім коефіцієнтів підсилення підсилювальний каскад характеризується вхідними та вихідними опорами змінного струму (рис. 5.1):

– вхідний опір транзистора:

;

– вхідний опір схеми підсилювача:

;

– вихідний опір транзистора:

;

– вихідний опір схеми підсилювача:

;

При використанні даних параметрів схема підсилювального каскаду надається у вигляді схеми (рис. 5.2):

Рисунок 5.2 – Еквівалентна схема каскаду

Для розрахунку диференційних параметрів транзистора схему (рис. 5.1) надаємо у вигляді еквівалентної схеми (рис. 5.3), де використані еквівалентні параметри:

R_некв – еквівалентний опір навантаження за змінним струмом;

е_екв та R_гекв – ЕРС та внутрішній опір джерела сигналу;

Рисунок 5.3 – Розрахункова схема   Рисунок 5.3 – Розрахункова схема

В даній схемі (рис. 5.3) еквівалентне значення опору навантаження:

,

(5.1)

Ом;

Також визначимо еквівалентний опір генератора струму: ,

(5.2)

Ом;

А також еквівалентну ЕРС джерела сигналу: ,

(5.3)

.

Розрахуємо параметри транзистора:

Коефіцієнт підсилення змінної напруги транзистора:

,

(5.4)

;

Коефіцієнт підсилення змінного струму:

,

(5.5)

;

Вхідний опір транзистора визначимо як: ,

(5.6)

Ом;

Вихідний опір транзистора: ,

(5.7)

Ом.

Визначивши параметри транзистора за формулами (5.4) – (5.7) та еквівалентні опори навантаження та джерела сигналу за рівняннями (5.1) – (5.3) слід визначити параметри схеми.

Вхідний опір схеми:

Вихідний опір схеми:

Коефіцієнт підсилення схеми змінної напруги:

Та коефіцієнт підсилення схеми змінної напруги:

.

Визначивши параметри схеми та транзистора можна знайти загальний коефіцієнт підсилення схеми за потужністю:

.

ВИСНОВОК

У даній курсовій роботі ми власноруч розрахували підсилювальний каскад на основі біполярного транзистора та придбали практичні навички роботи з його довідковими параметрами. Розглянули статичні та низькочастотні параметри транзистора, різні схеми включення, розрахували параметри стабілізованої та нестабілізованої схем. Також ми розрахували температурні залежності, з яких можна побачити, що недоцільно використовувати схему без температурної стабілізації. Стабілізація положення робочої точки є одним з найважливіших пунктів при розрахунку каскаду. Без застосування температурної стабілізації дуже складно досягти приємного коефіцієнта підсилення через те, що робоча точка під впливом температури буде зсуватися по лінії навантаження вгору.

ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ

1. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник /Под ред. Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. – 656 с.

2. І.П. Архієреєв Методичні вказівки до виконання курсової роботи «Підсилювальний каскад на біполярному транзисторі» з дисципліни «Твердотіла електроніка»: Видавничій центр НТУ «ХПІ», 2003. 1 – 39с .

3. ДСТУ 2307-93 Транзистори біполярні. Терміни, визначення та буквені позначення електричних параметрів.

4. ГОСТ 2825-67 (СТСЭВ 1076-78) Резисторы постоянные. Ряды номинальных сопротивлений.

Поиск по сайту: