Расчет усилительного каскада

Состав, основные параметры и виды усилительных каскадов

В состав простейшего усилительного каскада входят:

1. Резистор
2. Источник электроэнергии.
3. Нелинейный управляемый элемент, в качестве которого может выступать полевой или биполярный транзистор.

Процесс усиления в каскаде основан на преобразовании электрической энергии источника электродвижущей силы в энергию выходного сигнала, благодаря изменению сопротивления управляемого элемента по закону, который задается входным сигналом. К основным параметрам усилительных каскадов относятся коэффициенты усиления по мощности, напряжению, электрическому току. Усилительные каскады могут классифицироваться по нескольким критериям, а именно:

1. В зависимости от диапазона усиливаемых частот входных сигналов. По данному признаку усилительные каскады делятся на усилители постоянного тока (используются для усиления сигналов, которые изменяются медленно), высокой частоты (используются для усиления сигналов в диапазоне от десятков килогерц до сотен мегагерц) и низкой частоты (используется для усиления сигналов в области звуковых частот), а также широкополосные усилители (используются для усиления импульсных сигналов) и избирательные усилители (используются для усиления сигналов, находящихся в узком диапазоне).
2. По способу включения усилительного элемента. Если в качестве усилительного элемента используется биполярный транзистор, то усилительные каскады делятся на каскады с общим коллектором, базой или эмиттером. В том случае, когда в качестве усилительного элемента применяется полевой транзистор, то усилительные каскады делятся на каскады с общим стоком, базой и истоком.

Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе

Основными параметрами, которые биполярных транзисторов являются статический коэффициент передачи электрического тока, показывающий соотношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы; максимальная рассеиваемая мощность коллектора; максимально допустимый электрический ток; максимальное напряжение между коллектором и базой, напряжение насыщение эмиттера, предельная частота до которой коэффициент усиления передачи электрического тока больше единицы; максимальное напряжение между эмиттером и коллектором, которое у высоковольтных транзисторов может достигать десятки тысяч вольт.

Предположим, что необходимо рассчитать усилительный каскад на биполярном транзисторе, схема которого изображена на рисунке ниже, учитывая, что коэффициент усиления равен 10, а напряжения источника питания 12 В.

Рисунок 1. Схема биполярного транзистора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Сначала находим максимальную рассеиваемую мощность, которую сможет рассеять транзистор в окружающую среду. Допустим, что эта мощность равна 150 мВт. Но выжимать полную мощность из него не следует, так как необходимо оставить запас на случай нарушения нормального режима работы, поэтому расчетная мощность может быть определена по следующей формуле:

$Ррас = Рмакс * 0,8 = 120 \ мВт.$

После этого рассчитывается напряжение насыщения коллектор - эмиттера:

$Uкэ = Uпит / 2 = 12 / 2 = 6 \ В$

где, Uпит - напряжение источника питания.

Затем рассчитывается электрический ток коллектора по следующей формуле:

$Ik = Ррас / Uкэ = 20 \ мА$

Из расчетов видно, что половина напряжения падает на коллектор-эмиттере, но еще 50 % должно упасть на резисторах. В рассматриваемом примере полученные 6 В падают на резисторах Rк и Rэ, таким образом:

$Rk + Rэ = (Uпит / 2) / Ik = 300 \ Ом$

Получается что:

$Rk + Rэ = 300$ А

$Rk = 10Rэ$

Так как:

$Ku = Rk / Rэ, $

Мы можем составить следующую систему уравнений:

$10Rэ + Rэ = 300$

$11Rэ = 300$

$Rэ = 300 / 11 = 27$

Отсюда:

$Rk = 27 * 10 = 270 \ Ом$

Теперь рассчитываем электрический ток базы:

$Iб = Ik / B = 0,14 \ мА$

где, B - измеряемая величина, которая равна 140

Электрический ток делителя, который образуется резисторами Rб и Rбэ подбирается таким образом, чтобы он был в десять раз больше, чем базовый:

$Iдел = 10 * Iб = 10 * 0,14 = 1,4 \ мА$

Напряжение на эмиттере рассчитывается по следующей формуле:

$Uэ = Iк * Rэ = 0,54 \ В$

Расчет напряжения на базе производится следующим образом:

$Uб = Uбэ + Uэ$

в данном случае возьмем падение напряжение на базе-эмиттер равное 0,66 В, то есть среднее, получается:

$Uб = 0,66 + 0,54 = 1,2 \ В$

Теперь, зная значение падения напряжения на базе мы можем рассчитать сопротивление каждого резистора, по схеме ниже

Рисунок 2. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Для резистора Rб формула будет иметь следующий вид:

$Rб = U1 / Iдел = 10,8 / (1,4 / 10(-3)) = 7,7 \ кОм$

где, U1 - падение напряжение на Rб

Для Rбэ:

$Rбэ = U2 / Iдел = 1,2 / (1,4/10(-3)) = 860 \ Ом$

ближайшим значение из ряда является 820 Ом