Анализ исходных данных и выбор транзистора

Введение

Общие сведения. В настоящее время трудно определить область техники, где бы ни находили применение усилители электриче­ских сигналов. Это объясняется, как правило, несоответствием па­раметров электрических сигналов, получаемых при первичном пре­образовании различных неэлектрических физических величин в электрические, параметрам, необходимым для нормальной работы большинства исполнительных (нагрузочных) устройств. Так, мощ­ность электрического сигнала на выходе типового датчика темпе­ратуры составляет десятки милливатт. В то же время стабилиза­ция температурного режима, например, ядерного реактора требует электрического сигнала мощностью в десятки и даже сотни киловатт. Для решения этой задачи электрический сигнал датчика должен быть соответственно усилен.

Усилителем называют устройство, предназначенное для усиле­ния входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

По виду усиливаемого сигнала усилители разбивают на следующие группы:

- усилители постоянного тока (УПТ), частотный диапазон усиливаемых сигналов которого начинается с

- усилители низких частот (УНЧ) – наиболее часто применяемая группа усилителей, частотный диапазон усиливаемых сигналов которой начинается с десятков Гц и простирается до нескольких десятков кГц;

- импульсные усилители – усилители со специфическими требованиями к передаче фронта и спада вершины усиливаемого импульсного сигнала;

- высокочастотные усилители (резонансные и полосовые) – применяются в радиотехнике.

Основными информационными параметрами УНЧ являются:

- входное сопротивление для переменного сигнала , определяющее требования к источнику входного сигнала;

- выходное сопротивление для переменного сигнала , определяющее требования к сопротивлению нагрузки;

- коэффициент усиления по напряжению , определяющий требования к схемотехнике усилителя и параметрам используемого транзистора;

- частотный диапазон усиливаемого сигнала , определяющий требования к разделительным и блокирующим ёмкостям и параметрам используемого транзистора;

- стабильность параметров усилителя (в основном ) при изменении параметров его элементов.

Так как усилительным элементом является биполярный транзистор, имеющий три вывода, то в схему усилительного каскада, имеющего два входных и два выходных вывода, транзистор можно включить тремя способами – с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ). Именно схема включения определяет значения перечисленных выше информационных параметров каскада УНЧ.

Так положительным свойством схемы с ОЭ является большой коэффициент усиления по напряжению, по току и, следовательно, по мощности, а отрицательными свойствами – большое выходное сопротивление, малое входное сопротивление и малая верхняя частотная граница усиливаемого сигнала.

Положительным свойством схемы с ОК является большой коэффициент усиления по току и по мощности, большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление, а отрицательными свойствами – отсутствие коэффициента усиления по напряжению и малая верхняя частотная граница усиливаемого сигнала.

Положительным свойством схемы с ОБ является большой коэффициент усиления по напряжению, максимально возможная верхняя частотная граница усиливаемого сигнала, а отрицательными свойствами – большое выходное сопротивление, малое входное сопротивление и отсутствие коэффициента усиления по току.

При любой схеме включения разброс или изменение параметров элементов (транзистора и резисторов) практически пропорционально отражаются на параметрах усилителя. Если усилитель используется в измерительном тракте, то необходимую стабильность параметров обеспечивают применением отрицательной обратной связи (ООС).

Любая ООС уменьшает , расширяет и уменьшает нестабильность . Кроме того, последовательная ООС увеличивает, а параллельная ООС – уменьшает и ООС по выходному напряжению уменьшает, а ООС по току увеличивает .

Принципиальные схемы однокаскадного усилителя, собранного по схемам с ОЭ без ООС и с последовательной ООС по напряжению представлены соответственно на рис. 1 а и 1. б.

Рис.1. Электрические принципиальные схемы УНЧ с ОЭ

На рис.1 введены следующие обозначения:

- и – делитель напряжения, служащий источником напряжения смещения U_0БЭ транзистора VT;

- – коллекторное сопротивление транзистора;

- и – цепочка термостабилизации режима работы VT;

- и - делитель сигнала ООС;

- – разделительный конденсатор, служащий для предотвращения попадания постоянного напряжения смещения базы в цепь источника сигнала;

- – разделительный конденсатор, служащий для предотвращения попадания постоянного напряжения коллектора в цепь нагрузки.

Анализ исходных данных и выбор транзистора

Исходные данные приведены в табл.1.

Таблица 1.

№ вар-та	кОм	мВ	В	Гц	К	В
	1,65		0,935	150-65000

Анализ исходных данных, приведённых в задании, позволяет сделать следующие предварительные выводы:

1. Коэффициент усиления по напряжению составляет не более 20, следовательно, его можно реализовать на одном усилительном каскаде.

2. Размах выходного напряжения меньше 1 В, что позволяет выбрать рабочую точку транзистора по напряжению (1)

3. Коллекторное сопротивление обычно составляет единицы кОм и в первом приближении можно считать, что коэффициент усиления по напряжению определяется . Соответственно амплитуда переменного тока в цепи коллектора составит =0,935/ (0,5*1,65) = 1,13 мА. Значение позволяет выбрать рабочую точку транзистора по току . (2)

Остальные исходные данные влияют только на выбор типа транзистора.

Для выбора транзистора необходимо определить минимальное значение коэффициента передачи тока базы , его граничную частоту усиления в схеме с ОЭ и требующуюся мощность рассеяния при заданной температуре окружающей среды.

Значение амплитуды входного переменного тока можно подсчитать по формуле:

Здесь входное сопротивление транзистора, включённого по схеме с ОЭ.

Диапазон . Полагаем, что 750 Ом, тогда

55 мВ / 750 Ом = 73 мкА.

Считая, что вся переменная составляющая тока проходит через коллектор, вычислим :

1,13 мА / 73 мкА 15,5.

Необходимая предельная частота усиления – это частота, на которой коэффициент усиления падает на 3 дБ; она рассчитывается по формуле:

65000 / 0,64 = 110000 Гц.

В схеме с ОЭ предельная частота усиления каскада меньше граничной частоты усиления транзистора в раз, где .

Полученным данным удовлетворяет множество транзисторов; выбираем из них кремниевый транзистор npn – типа КТ324Г (зарубежный аналог ВС183ВР), параметры которого приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Тип	мВт	МГц	В	мА		Ск пФ
КТ324Г					50-200

Из табл.2 определяем: (50+200) / 2 = 125 > 15,5.

=120 / 125 =0,9 Гц > 110000 Гц.

= 30 В > = 24 В.

Выбранный транзистор удовлетворяет всем предъявленным требованиям.