Расчет параметров биполярного транзистора в режимах усиления и ключа

 

1. Расчет параметров биполярного транзистора в режимах усиления и ключа. 

Транзистор  большой мощности среднечастотный n-p-n

 

Электрические параметры

Модуль  коэффициент усиления тока базы на частоте 10 МГц не менее … 2 

Предельные  эксплуатационные данные

Ток коллектора, А  ………………………………………………………………6

Напряжение  коллектор - эмиттер, В ………………………………………...100

Мощность  на коллекторе, Вт  ………………………………………………..100

 

Часть 1

     1. Запишем транзистор по постоянному току с указанием полярности питающих напряжений и направлений токов.

    2. На выходных характеристиках  БТ (схема «общий эмиттер») построим  зону безопасной работы, ограниченную линиями насыщения, допустимого тока и напряжения на электродах транзистора и мощностью рассеяния на коллекторе. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Режим усиления

Схема усилителя  имеет вид: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3. Выберем положение точки покоя внутри зоны – безопасной работы, определим ее координаты в соответствующих системах координат. Выбор точки покоя произведем в следующей последовательности:

    − определим напряжение источника питания коллектора Е_к = 0,7 U_{кэ доп}

    Е_к = 0,7*100 =70 В

    − проведем нагрузочную прямую постоянного тока (R₌).

R₌ = R_к = Е_к / I_{к кз}                                                                          

R_к = R₌  = 70В / 5А=14 Ом 

     Линию проведем таким образом, чтобы максимально использовать возможности транзистора (она должна пересекать возможно большее число линий выходной вольтамперной характеристики), не забывая о предельно допустимом токе коллектора I_доп  и мощности рассеяния коллектора Р _{к доп} ; выберем точку покоя А для режима минимальных искажений сигнала (режим «А» усилительного каскада) примерно в середине активного режима транзистора, тем самым минимизируя нелинейные искажения, обусловленные выходной характеристикой. Убедимся, что точка А на входной характеристике также находится на линейном участке, что обеспечит минимум искажений, вносимых входной характеристикой. 

    4. Проведем нагрузочную прямую переменного тока, при этом R_н взять равным R_к, а

    R_≈ = R_н* R_к / R_н + R_к = R_≈ /2

    Вспомогательная прямая (пунктир) определяет наклон линии R_≈ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Определим графически амплитуду максимальных величин входного и выходного гармонических сигналов, при этом нелинейные искажения должны быть минимальны. Определение произведем в области значений I_Б, при которых выходная характеристика эквидистанта, входная − линейна.

Амплитуда выходного сигнала равна  U вых мах = 25 В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                            

рис. 4 

Из графика  ниже  найдем, что амплитуда входного сигнала U _{вх мах} = 0,6 В 

6. Рассчитаем  КПД:

  КПД = = = 38,8%

Где       Р_вых – выходная мощность;

             Р_о – мощность потребляемая от источника питания;

             U_км, Iкм – амплитудные значения выходных напряжений и тока

             I_ка – ток коллектора в точке покоя.

7. Произведем  расчет коэффициента нелинейных  искажений. 

     - на входной характеристике мы  обозначили 6 точек (а, б, в, г,  д, е) в диапазоне U _{вх мах}, определенного в п.5;

     - нарисуем выходные характеристики только для значений тока базы, соответствующих точкам  а – е                                          

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис 5.

Точки пересечения выходных характеристик  с линией переменного тока а –е

дадут значения I_к1 – I_к6 для построения сквозной характеристики.

     I_к1 = 0,9 А

     I_к2 = 1,5 А

     I_к3 = 2,3 А

     I_к4 = 3,4 А

     I_к5 = 4,4 А

     I_к6 = 5 А

     Значения  U _ист определяются по формуле:

     U_ист = U_бэ + i_бR_ист, где выходное сопротивление источника сигнала R_ист = 1кОм; значения U_бэ и I_б для шести точек определяются по рис 4.

     U _ист1 = 1,3 +0,025*1000 = 26,3 В

     U _ист2 = 1,6 + 0,05*1000  = 51,6 В

     U _ист3 = 1,7 + 0,075*1000 = 76,7 В

     U _ист4 = 1,9 + 0,1*1000 = 101,9 В

     U _ист5 = 2,4 + 0,15*1000 = 152,4 В

     U _ист6 = 2,7 + 0,2*1000 = 202,7 В 

     Построим  сквозную характеристику: 

      Разобьем участок оси абсцисс сквозной характеристики, соответствующий интервалу U _{ист мин}  - U _{ист мах} На 4 равных участка. Им будут соответствовать токи I_min, I₂, I₀, I_max.

     I_min = 0,9А;      I₂ = 2,1А;           I₀ = 3,7А;     ;    I₁ =  4,5А;            I_max = 5А

     Рассчитаем  коэффициент нелинейных искажений:

      , где 

  I_1m- I_4m – 1-4 гармоники определяются: 

             I_max-I_min+I₁- I₂                   5 – 0,9 + 4,5 - 2,1 

I_1m=   --------------------   =       ---------------------  =   2,16 А    

                                 3                                     3              

                    I_max+I_min - 2I_o                   5 + 0,9 – 2*3,7

I_2m=   --------------------  =      ---------------------  =  ─ 0,375 А

                                4                                     4 

             I_max-I_min-2(I₁-I₂)          5 – 0,9 – 2 (4,5 - 2,1)

I_3m=   --------------------   =      --------------------------   = ─ 0,12 А

                                    6                                     6 

          I_max+I_min-4(I₁+I₂)+6I₀        5 + 0,9 – 4(4,5 + 2,1) +6*3,7

I_4m=   -------------------------- =  ------------------------------------  = 0,14 А

                            12                                                12 

     Коэффициент нелинейных искажений равен:

       

     8. Оценим максимальную частоту  усиления (граничную):

f_гр.=|h_21э |*f₁ = 1,5*100 = 150 МГц . 

     Где h_21э и f₁ справочные данные (модуль коэффициента усиления на частоте измерения (см. Приложение 1) 

     9. Определим численные значения  h – параметров по характеристикам БТ в точке покоя, координаты которой определены в п.3. Расчеты произведем по формулам:

     По  входной характеристике:

          U_КЭ = const             

            I_Б = const                

     

     h_11э = 0,7/0,085 = 8,24

     h_12э = 1/5 = 0,2 
 
 

                                                      Рис 7.

                                  

     По  выходной характеристике:

     

          U_КЭ = const

          I_Б = const  

     h_21э = 1/0,025 = 40

     h_22э = 0,4/45 = 0,01 
 

                                                Рис 8. 

     10. Ключевой режим.

Обеспечить  режим насыщения ключа  со степенью S = 1, 2

Очевидно, что точка покоя должна соответствовать  этому режиму.

Исходные  данные Е_к  и R_К соответствуют п.3

     

     Е_к=0,7U_{кэ доп}  = 0,7*100 = 70В 

     R_к = R₌  = 70В / 5А = 14 Ом 

     R_н =14 Ом 
 

     Найдем  значение R_б

     R_б = U_R2/I_д при R_н= R_к

                                U_бэп  = 2,7 В

                                 I_бп = 200 мА

                                 I_кп =6А 

     U_R2=U_бэп+(I_бп+I_кп)*R_э = 2,7+(0,2+6)*6 = 39,9 В

     I_д подбираем эмпирически по правилам I_д =3* I_бн причем I_бп= I_бн= мА,

     I_д =3* I_бн=3*0,2А=0,6 А

     R_э=R_об - R_к= 20 – 14 = 6 Ом

     R_об=E_п/I_н=100В/5A= 20 Ом

     R_б=U_R2/Iд=39,9/0,6 =66,5 Ом

     R_б=66,5 Ом 
 
 
 

     Определим амплитуду и полярность входного импульса, переключающего ключ в режим  отсечки: 

       
 
 
 
 
 
 

          
 
 
 

     Амплитуда и полярность выходного импульса:

     

     При одинаковых требованиях к усилению импульсов обеих полярностей  рабочая точка выбирается в середине рабочего участка. При этом для усиления импульсов каждой полярности используется только половина рабочего участка и, следовательно, амплитуда выходных импульсов будет в два раза меньше чем при других режимах (получение положительного или отрицательного импульса).

     11. Вывод

           В ходе проделанной  работы были приобретены практические навыки решения  задач по расчету  основных свойств полупроводниковых  приборов, на примере схемы с общим  эмиттером. Были выбраны и рассчитаны основные параметры транзистора  в ключевом (импульсном) режиме и режиме усиления. 

Часть 2

1.

 

      Где  f, кГц – частота вх. сигнала, U_вх, мВ – амплитуда вх. сигнала, Ru, кОм – сопротивление источника сигнала, R_н, кОм – сопротивление нагрузки, К – коэффициент усиления.