Расчет предварительного усилителя на транзисторе

рис.3 Включение эмиттерного повторителя на входе усилителя.cdw

Расчет предварительного усилителя на транзисторе.doc

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Кафедра общепрофессиональных дисциплин
Контрольная работа № 2
Расчет предварительного усилителя
Усилитель предварительного усиления предназначен для усиления малого
напряжения переменного тока в различных диапазонах частот. Входное
напряжение усилителя может иметь величину от единиц микровольт до десятков
милливольт выходное - не превышает одного - двух вольт. Коэффициент
усиления таких усилителей обычно не более ста.
На рисунке 1 приведена типовая схема усилителя.
Рис. 1 Усилитель с емкостными связями
Делитель образованный резисторами R1 и R2 задает напряжение базы
транзистора Uб. Если ток делителя значительно больше тока базы то
напряжение базы Uб будет слабо изменяться при малых изменениях тока базы
(будет почти постоянным). Поэтому данную схему называют схема с постоянным
В этой схеме резистор Rэ обеспечивает отрицательную обратную связь по
току необходимую для стабилизации режима работы усилителя по постоянному
току. Емкость Сэ шунтирует резистор Rэ и исключает обратную связь на
частоте усиливаемого сигнала.
Источники входного сигнала могут иметь внутреннее сопротивление Rc от
десятков до сотен и тысяч Ом . Так как усилитель в схеме с общим эмиттером
имеет сравнительно небольшое входное сопротивление то при значительном
сопротивлении источника сигнала на входе усилителя следует включать схему с
общим коллектором (эмиттерный повторитель). Эмиттерный повторитель как
известно имеет высокое входное и малое выходное сопротивление.
Нагрузка такого усилителя является как правило активной может иметь
значения от десятков до сотен и более Ом. Так усилитель в схеме с общим
эмиттером имеет большее выходное сопротивление а при его уменьшении
снижается коэффициент усиления то при малом сопротивлении нагрузки следует
включать эмиттерный повторитель на входе усилителя.
При изменении температуры окружающей среды изменяются параметры
транзистора что приводит к изменению токов и напряжений в схеме.
Приращение тока коллектора определяется выражением
[pic][pic]Iк =[pic]Iко +[pic]·(Iб + Iко) + ·[pic]Iб
где [pic]Iко – приращение обратного тока коллекторного
[pic] – приращение статического коэффициента усиления транзистора по
[pic]Iб – приращение тока базы
При включении в эмиттерную цепь резистора Rэ
[pic]Iб =[pic]Uб Rб - [pic]Iк·Rэ Rб
Подставляя (2) в (1) получим
[pic]Iк =[pic]Iко+[pic]·(Iб + Iко) + ·[pic]Uб Rб - ·[pic]Iк·Rэ
Из этого выражения следует что:
[pic]Iк = ·Rб Rб + ·Rэ· ([pic]Iко +[pic]·(Iб +
Iко) +[pic]Uб Rб) (4)
Выражение перед скобками называют коэффициентом температурной
нестабильности и записывают в форме
При отсутствии сопротивления в цепи эмиттера (без термостабилизации)
S = B. Термостабилизация считается удовлетворительной при S = 5 хорошей –
Исходными данными для расчета предварительного усилителя являются:
- максимальное напряжение на выходе Uн = ** В и (или) на
- коэффициент усиления К = Uн Ес = ** ;
- сопротивление источника сигнала RC = ** Ом ;
- сопротивление нагрузки Rн = ** Ом ;
- верхняя Fв = ** Гц и нижняя Fн = ** Гц граничные
частоты и коэффициенты частотных искажений Мв и Мн
(принимаем Мн = Мв = 13) ;
- температура окружающей среды Тмах = ** C и Тmin.
Могут задаваться и другие параметры усилителя например максимальная
потребляемая мощность требования по габаритам весу и т.п.
2. Выбор транзистора
На этом этапе производится предварительный выбор транзистора. В
дальнейшем он может быть изменен.
2.1. Допустимая рассеиваемая на коллекторе мощность выбирается из
Pк доп > 8··Pн = *** ***=*** ·10n [Вт]
где = 12 при S ≤ 3 и = 15 при S ≥ 5. По значению S = **
При Uн менее одного вольта для каскадов предварительного усиления
оценка рассеиваемой мощности не производиться.
2.2. Допускаемый ток коллектора:
Iк доп > 5·Iн = 5·Uн R н = *** ***= *** ·10n [А] ;
2.3. Допустимое напряжение между коллектором и эмиттером:
Uкэ доп > 10·Uн = *** ***= ***·10n [В] ;
2.4. Статический коэффициент усиления по току выбирается из
≥ (08 ÷ 15)·К н = *** ***= *** ;
2.5. Частотные параметры транзистора выбираются в соответствии с
заданным значением верхней граничной частоты – Fв коэффициента частотных
F = Fв·Мв√ Мв² -1 = *** ***= ***·10n [Гц] ;
Fгр > 10·F = *** ***= ***·10n [Гц] ;
По приложению 1 выбираем транзистор - КТ (ГТ) ****А (Б В Г Д ) :
Ск = ***·10n [Ф] ; h11э = ***·10n [Ом] ;
h21э = ***·10n ; h22э = ***·10n [См].
3. Расчет режима транзистора по постоянному току
3.1. Выбор тока коллектора в рабочей точке Iºк.
Для каскадов предварительного усиления принимают:
Iºк = 15·Iнm + 04·10 -- 3 = 15·√ 2 ·Uн Rн + 04·10 - 3 = *** ***=
принимаем Iºк =***·10n [А].
3.2. Ток базы в рабочей точке: Iºб = Iºк = *** ***= ***·10n
Полученное значение тока базы должно превышать амплитуду входного тока
в 12 ÷ 15 раза т.е. __
Iºб > 12· √ 2 ·Ec (Rc + Rвх) = *** ***= ***·10n [А]
где Rвх – входное сопротивление усилителя которое можно принять:
Rвх = 08· h11э = 08· ***·10n = ***·10n [Ом]
Если это условие не выполняется то следует увеличить значение Iºк.
3.3. Напряжение между коллектором и эмиттером в рабочей точке:
Uºкэ ≥ 4·Uнm = 4·√ 2 ·Uн = *** ***= ***·10n [В]
Значение Uºкэ должно быть не менее 30 [В].
4. Расчет параметров обеспечивающих режим работы транзистора по
4.1. Для схемы изображенной на рис.1 выбираем:
Rб = 8·(rб + rэ· (1+ )) 8· h11э = 8· ***·10n = ***·10n [Ом]
4.2. Из выражения (5) получаем: Y= RэRб = ( – S) ·S
исходя из этого вычисляем сопротивление: Rэ = Rб·( – S) ·S = *** ***=
выбираем номинал сопротивления резистора из стандартного ряда (Приложение №
4.3. Определяем напряжение источника питания усилителя:
Ек = 2·Uºкэ + Iºк ·Rэ = *** ***= ***·10n [В] Округляем полученное
значение до стандартного из ряда ( 50 ; 63 ; 90 ; 120 ; 150
; 180 ; 240 ) : Ек = ***[В].
Исходя из этого корректируем значение напряжения между коллектором и
эмиттером в рабочей точке: Uºкэ = (Ек – Iºк ·Rэ) 2 = *** ***=
4.4. Определяем сопротивление в цепи коллектора:
Rк = Uºкэ Iºк = *** ***= ***·10n [Ом] выбираем номинал
сопротивления резистора из стандартного ряда (Приложение № 2):
4.5. Определяем напряжение на базе транзистора:
Uºб = Iºэ·Rэ + 06 [В] = (Iºк + Iºб)·Rэ + 06 [В] = *** ***= ***·10n
4.6. Рассчитываем делитель в цепи базы.
Напряжение холостого хода делителя: Uдхх = Uºб + Iºб·Rб = *** ***=
Величина сопротивлений вычисляется по известным выражениям:
R1 = Eк·R6 Uдхх = *** ***= ***·10n [Ом] выбираем номинал
R2 = R1·R6 (R1 – R6) = *** ***= ***·10n [Ом] выбираем номинал
Вычисляем ток делителя: Iд = Eк (R1 + R2) = *** ***= ***·10n [А] ;
Величина тока делителя должна удовлетворять условию: Iд > 4·Iºб
Проверяем: ***·10n > ***·10n . Если это условие не
выполняется то выбирают меньшее значение Rб и повторяют расчет параметров
4.6. После расчета параметров обеспечивающих режим транзистора по
постоянному току необходимо проверить полученное значение коэффициента
Ко = Rвх·h21э·Rкн h11·(Rс + Rвх) = *** ***= ***
где Rкн = RкRн = Rк·Rн (Rк+Rн) = *** ***= ***·10n [Ом];
Rвх – входное сопротивление усилителя:
Rвх = Rб Rвхт [pic] rб + rэ·(1 + ) = *** ***= ***·10n
Если полученное значение Ко меньше (А) или больше (В) заданного то
следует внести изменения в усилитель.
Выбрать вариант изменений!
А. Для увеличения коэффициента усиления:
Если полученное значение меньше заданного на 10 – 15 % то можно
увеличить значение Rк но при этом придется увеличить Ек что
Выбрать транзистор с большим значением h21э.
Если полученное значение меньше заданного на 30 – 70 % необходим
дополнительный каскад усиления (аналог изображенного на Рис. 1).
Если Rн Rк то можно включить эмиттерный повторитель на выходе
В этом случае нагрузкой усилителя будет входное сопротивление
эмиттерного повторителя: Rвх эп = Rэн·(1 + ) = *** ***=
где Rэн = Rэ2·Rн (Rэ2 + Rн).
Ток коллектора эмиттерного повторителя определяют аналогично
I[pic] = 15·Iнm + 04·10 -- 3 = 15·√ 2 ·Uн Rн + 04·10 - 3 = ***
Сопротивление Rэ2 = Uэ2 Iэ2 = *** *** = ***·10n [Ом];
где Uэ2 [pic]Uк1 – 06 [В]= *** ***= ***[В].
Значение Iэ можно принять равным I[pic].
Коэффициент усиления эмиттерного повторителя:
Кэп = (1 + h21э)·Rэн (h11э + (1 + h21э)·Rэн) = *** ***= ***
Тогда общий коэффициент усиления будет равен: К = Кус· Кэп = ***
***= ***. В данном случае Кус определяется по выражению (6).
Рис. 2. Усилитель с эмиттерным повторителем
Если сопротивление источника сигнала Rс [pic] 05·Rвх то можно
включить эмиттерный повторитель на входе усилителя как показано на
В этом случае коэффициент усиления возрастет примерно
в 09·((Rс+ Rвх ус) (Rвых эп + Rвх ус)) раз
где Rвх ус – выходное сопротивление эмиттерного повторителя;
Rвых эп = (Rс+ rб) (1 + ) + rэ – выходное сопротивление
эмиттерного повторителя.
Рис. 3. Включение эмиттерного повторителя на входе усилителя
Ток коллектора эмиттерного повторителя может быть выбран равным 1мА:
Напряжение на эмиттере: Uэ = Ек 2 = *** ***= *** [В].
Напряжение на базе: Uб = Uэ + 06 [В] = *** ***= *** [В].
Ток базы: Iб = Uб Rб = *** ***= ***·10n [А].
При расчете делителя R1- R2 ток делителя принимается: Iд =
Сопротивление в цепи эмиттера рассчитывается: Rэ1 = Uэ Iэ.
Если предлагаемые в п. 1-4 меры не позволяют получить требуемый
коэффициент усиления то необходим двухкаскадный усилитель с коэффициентами
усиления каскадов К1 и К2. Тогда общий коэффициент усиления: К = К1 ·К2.
Рекомендуется К1 > К2.
В. Для уменьшения коэффициента усиления:
Выбрать транзистор с меньшим h21.
Уменьшить значение Rк. Но при этом придется увеличить ток
коллектора что нежелательно.
Включить делитель напряжения на входе усилителя или между
5. Расчет емкости конденсаторов
При расчете усилителя коэффициент частотных искажений Mн на частоте Fн
принимают равным 13 .
Коэффициент частотных искажений усилителя содержащего несколько
последовательно включенных RC- цепей равен произведению коэффициентов
частотных искажений составляющих цепей. Так для схемы рис.1: Mн =
где Mн1 - коэффициент частотных искажений входной цепи (емкость С1);
Mнэ - коэффициент частотных искажений цепи эмиттера (емкость
Mн2 - коэффициент частотных искажений выходной цепи (емкость
Значения емкостей вычисляются по уравнениям:
С1 = Mн1 ·1 (2··Fн·(Rc + Rвх) ·√ M²н2 –1 ) = *** ***= ***·10n [Ф] =
С2 = Mн2 ·1 (2··Fн·(Rк + Rн) ·√ M²н2 –1 ) = *** ***= ***·10n [Ф] =
СЭ = Mнэ ·1 (2··Fн ·Rэкв·√ M²н2 –1 ) = *** ***= ***·10n [Ф] =
где Rэкв = (Rc + r6) (1 + ) + rэ .
Полученные значения емкостей округляют до ближайших больших
стандартных значений (Приложение № 3).
Применяем конденсаторы типа К50-6 (К52-3) номиналами:
С1 = ****[мкФ] Х ***[В];
С2 = ****[мкФ] Х ***[В];
СЭ = ****[мкФ] Х ***[В].

рис.1 Усилитель с емкостными связями.cdw

ПРИЛОЖЕНИЯ 2 и 3.doc

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Номинальные сопротивления резисторов
Приведенные в таблице 1 номинальные значения электрического сопротивления
определяются: R= Номинал Х 10 n (Ом кОм мОм) где n = 0 1 2.
±20% 1 15 22 33 47 68
±10% 1 1.2 15 18 22 27 33 39 47 56
82 ±5% 1 1.1 1.2 1.3 15 16 18 20 22 24 27
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Конденсаторы электролитические.
В таблице 1 приведены номинальные значения емкости
электролитических конденсаторов К50-6 в микрофарадах.
Uдоп = 5 В 500 1000 2000 4000 Uдоп = 10 В 10
50 100 200 500 1000 2000 4000 Uдоп = 15 В 1 5 10 20 50
0 200 500 1000 2000 Uдоп = 25 В 1 5 10 20 50 100 200
В таблице 2 приведены номинальные значения емкости
электролитических конденсаторов К52-3 в микрофарадах.
Uдоп = 33 В 33 68 100 150 220 330 680 1000
Uдоп = 63 В 10 15 22 33 68 100 150 220 330 680
00 1500 2200 Uдоп = 16 В 10 15 22 33 68 10 15 22 33
100 150 220 330 680 1000 1500 2200 3300 Uдоп = 25 В 10
00 2200 Uдоп = 50 В 10 15 22 33 68 10 15 22 33 68
0 150 220 330 680 1000

│ варианта ОМД (05.2014).doc

Варианты задания на расчет усилителя
FВ кГц 1 08 15 85 10 3 60 200 30 2 10 18 90 10 4
200 25 14 14 091 60 075 5 60 150 20

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 доп.doc

Тип транзистора U кэ доп I кдоп Ркдоп I ко F гр Ск Н11 Н12 Н21
КТ201Б 20 20 150 05 25 9 600 015 30 15 100 290 21
КТ201Г 20 20 150 05 25 9 500 007 60 12 58 144 51
КТ301Д 30 10 42 5 80 10 450 011 20 10 110 219 21 КТ312А
15 225 1 80 5 250 007 15 8 88 110 20 КТ312Б 30 10
5 1 120 5 300 006 25 11 55 158 24 КТ315Б 20 100 150
120 7 600 008 20 9 89 413 23 КТ315Г 35 100 150 1 120
750 005 50 5 100 240 102 КТ315Ж 15 50 100 10 90 10
0 004 30 6 67 293 52 КТ325Б 15 60 225 05 800 25 400
70 34 29 191 21 КТ203Б 30 10 150 1 5 10 1000 012
12 100 690 26 КТ208Б 20 150 200 05 5 35 800 012 40
86 449 29 КТ326А 20 50 250 05 60 5 420 007 20 18
338 12 КТ339А 25 25 260 05 50 2 360 005 25 11 45
2 24 КТ340А 15 50 250 1 300 1 800 012 100 27 44 351
УТ368 15 30 225 05 900 12 300 003 50 8 38 109 64
КТ601 100 30 350 100 40 15 360 008 16 15 53 269 11
КТ602Б 100 75 850 10 150 4 280 012 50 30 40 76 1.7

рис.2 Усилитель с эмиттерным повторителем.cdw

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.doc

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Справочные данные транзисторов
Транзистор U к э доп. Iк
доп. Iко Fгр Ск H11Э H12Э
В мА мВт МкА МГц пФ Ом
МкСм КТ201Г 20 20 150 05 40 9 800 012 60 20 КТ203Б 30
150 1 5 10 980 012 30 12 КТ208Б 20 150 200 05 5 35
0 012 40 14 КТ301Д 30 10 42 5 80 10 450 0.10 20 10
КТ312Б 30 10 225 1 120 5 300 0.10 25 11 КТ315Б 20 100 150
120 7 600 008 20 9 КТ315Г 35 100 150 1 120 7 750 005
5 КТ315Ж 15 50 100 10 90 10 500 004 30 6 КТ325Б 15
225 05 800 25 400 010 70 34 КТ326А^ 20 50 250 05 60
420 007 20 18 КТ339А 25 25 260 05 50 2 360 005 25 11
КТ340А 15 50 250 1 300 1 800 012 100 27 КТ368 15 30 225
900 12 300 003 50 8 КТ601 100 30 350 100 40 15 360
8 16 15 КТ602Б 100 75 850 10 150 4 280 012 50 30
Зависимость параметров транзистора от тока коллектора
IкмА 05 1 2 4 6 8 10 h21(Iк) h21(1мА) 09 1 11
13 135 14 H12(Iк) h12(1мА) 12 1 08 05 085
13 h11(Iк) h11(1мА) 16 1 085 072 06 05
5 h22(Iк) h22(1мА) 05 1 14 18 25 32 40