Не понимаю, как рассчитывается усилительный каскад на БТ

[Kevsh]

EUgeneUS, поня, вот ТЗ и справочные данные по этому транзистору:


Я приводил схемы для n-p-n, но мне сейчас хочется разобраться именно в принципе расчёта, откуда всё берётся.

[EUgeneUS]

Kevsh в сообщении #1553551 писал(а):

вот ТЗ

То есть напугал Вас сварочным аппаратом, сразу "рекомендуемый тип транзистора появился"

Kevsh в сообщении #1553551 писал(а):

Я приводил схемы для n-p-n,

Да, это не особо важно. Все понимают, что смена p-n-p на n-p-n ведет к смене полярности питания и электролитов.

Остальное позже.

[EUgeneUS]

Kevsh

Первым делом - надо читать вторую главу Хоровица-Хилла
Далее:
I. Рассчитываем параметры по постоянному току.
1. Выбираем напряжение питания. Амплитуда выходного сигнала умножить на два - уже требует около 9В, плюс надо не меньше двух вольт на $U_\text{Э}$. Итого ближайшее типовое - 12 В. Но там придётся поупражнятся с выбором рабочей точки (напряжение на коллекторе). Поэтому берем напряжение питания $U_{kk}= 15$ В.
2. Выбираем ток коллектора. $I_k=$ 10 мА выглядит не сильно большим, и не сильно маленьким Тут, конечно, некий произвол получился.
3. Далее все просто.
Задаём $U_\text{Э} = $ 2В. Этого достаточно, чтобы смещение работало устойчиво. Тогда $R_\text{Э} =U_\text{Э} / I_k = 200$ Ом
Выбираем $R_k$ так чтобы на коллекторе было половина напряжения питания (если бы взяли 12 В, то этот метод не сработал бы). Тогда $R_k = \frac {U_{kk}}{2 I_k} = 750$ Ом. Коэффициент усиления получился недостаточным: $K = \frac{R_k}{R_\text{Э}} = 3.25$ Почему недостаточным, и как это победим - ниже.
4. Рассчитываем делитель в базе.
а) Напряжение на базе: $U_\text{Б} = 0.6 + U_\text{Э} = 2.6$ В. Отсюда раcсчитывается отношение резисторов делителя $R_1$ и $R_2$.
б) Ток базы $I_\text{Б} = I_k / \beta = 0.01/30 \approx 0.33 mA$, ток через делитель д.б. минимум в 10 раз больше тока базы. То есть 3.3 мА. Отсюда рассчитывается сумма $R_1$ и $R_2$, а с учетом предыдущего пункта и они сами.

Расчет режимов по постоянному току окончен.

-- 28.04.2022, 18:15 --

II. Рассчитываем режимы по переменному току.
1. Полоса пропускания определяется как полоса, где сигнал ослабляется не более чем на 6 дБ (в два раза по мощности). Это ослабление в $\sqrt{2}$ раза по напряжению.
По ТЗ Ку должен быть не менее 3 в полосе пропускания, а значит это на краях. А в центре должен быть $K = 3 \sqrt{2} \approx 4.25$, уже получившиеся 3.25 не хватает.
Берем с некоторым запасом номинальный Ку равным 6.
Отсюда рассчитываем какую часть $R_\text{Э}$ нужно зашунтировать конденсатором. Не забываем учесть, что для переменного тока в коллекторе не $R_k$, а $\tilde{R} = R_k \parallel R_H$.

2. Рассчитываем ёмкости:
а) разделительные на входе и выходе
б) ёмкость, которая шунтирует часть $R_\text{Э}$.
Как это делается, сами посмотрите в Хоровице-Хилле.

Расчет режимов по переменному току окончен.

... Но не совсем.
Ёмкость нагрузки (параллельная $R_H$) даст некий завал в верхней части полосы.
Импеданс этой емкости на верхней частоте полосы (30 кГц) пропускания будет 5-6 кОм. А параллельно ей будет сопротивление $R_k = 750$ Ом. Так что завала в верхней части полосы пропускания быть не должно.

Минус такого способа расчета в том, что $I_k$ выбирали произвольно, "по наитию".
Плюс - всё просто.
Можете провести расчет до конца (определить все номиналы), забить схему в любою программу эмуляции, и убедиться, что всё работает, и все требования ТЗ удовлетворяются

[EUgeneUS]

Kevsh
Ещё пара моментов.

1.

EUgeneUS в сообщении #1553600 писал(а):

2. Выбираем ток коллектора. $I_k=$ 10 мА выглядит не сильно большим, и не сильно маленьким Тут, конечно, некий произвол получился.

Этот произвол надо исключить. Ошибся я с выбором $I_k$
Выбирать будем так:
а) Ток коллектора в режиме покоя должен быть не менее пикового тока, который отдается в нагрузку.
б) Нагрузкой выступает $\hat{R}= R_k \parallel R_H \parallel Z_{C_H}$
Где $Z_{C_H}$ - импеданс ёмкости нагрузки (надо брать на максимальной частоте полосы пропускания).
Пик напряжения на нагрузке задан: $u_\text{peak} = $ 4.4 вольта (амплитуда сигнала на нагрузке).

Тогда $I_k > u_\text{peak} / |R_k \parallel R_H \parallel Z_{C_H}|$
в) с другой стороны $I_k = U_{kk} / 2 R_k$ - условие, что на коллекторе половина напряжения питания в режиме покоя. Отсюда выражаем $R_k$ и подставляем в неравенство.
Я это проделал, но без учета ёмкости. Получилось, что ток покоя не мене 30 мА. С учетом ёмкости, думаю 50 мА будет достаточно. Вы можете провести более точный расчет с учетом ёмкости нагрузки.

2. Выбор напряжения на эмиттере в режиме покоя.
а) Чем оно больше (относительно напряжения питания), тем больше глубина ООС по постоянному току, тем выше стабильность каскада.
б) С другой стороны, оно "отъедает" от напряжения питания какую-то часть и уменьшает размах полезного сигнала на выходе.
Хоровиц и Хилл рекомендуют выбирать сопротивление в эмиттере, как одну десятую от сопротивления в коллекторе. Что в данном случае приводит к одной двадцатой от напряжения питания.
В других источниках рекомендуют выбирать напряжение на эмиттере как одну десятую от напряжения питания.
Исходя из этого выбранные мной 2В выглядят избыточными, но питания 15 В хватит чтобы обеспечить заданный размах, и "см. п. а".
Для питания 12 В, буде такое задание случится, напряжение на эмиттере нужно уменьшить. До 1.2 В, или даже до 0.6 В.

[EUgeneUS]

3. А ещё можно сделать вот такой финт.

Если нагрузка позволяет протекание постоянной составляющей через себя.
И если сопротивление нагрузки постоянному току нормировано (то есть не может сильно изменяться)
То можно включить нагрузку вместо $R_k$, она сама и будет играть роль $R_k$.
При этом, так как транзистор p-n-p, то схему можно "перевернуть" (отразить относительно горизонтальной оси), тогда:
а) напряжение питания будет положительным, что хорошо.
б) нагрузка будет включаться между коллектором и общим проводом, что тоже хорошо.

Это всё резко упрощает и улучшает:
а) ток коллектора в режиме покоя сразу считается из $U_k = U_{kk}/2 = I_k R_H$
б) Откуда (при напряжении питания 15 В) $I_k = 7.5 / 1.2 = 6.25$, ток в миллиамперах, сопротивление в килоомах.

Ток коллектора в режиме покоя становится почти в 10 раз меньше, а значит почти в 10 раз становится меньше мощность, бесполезно рассеиваемая на транзисторе.
Нужно только проверить, что в верхней части полосы пропускания завал (из-за ёмкости нагрузки) будет не хуже, чем требуется по ТЗ.

Кроме того, можно обеспечить Ку в 5-6 установкой сопротивления в эмиттере в 240 - 200 Ом. Что уже будет достаточно с точки зрения режимов по постоянному току, и не потребуется разделительный конденсатор в цепи эмиттера. Одни плюсы

[EUgeneUS]

4. И ещё

EUgeneUS в сообщении #1553660 писал(а):

Нужно только проверить, что в верхней части полосы пропускания завал (из-за ёмкости нагрузки) будет не хуже, чем требуется по ТЗ.

Буде, такая беда случится, её несложно победить с помощью "частотной коррекции".
Но ТС куда-то пропал, и детали писать не буду, по ТС не проявит интерес.

[Kevsh]

EUgeneUS
Большое спасибо, я подобрал нужные значения компонентов УК – в программе всё смоделировал, всё соблюдается, даже с запасом (что неудивительно, транзистор хороший попался). На самом деле всё во многом гораздо проще, чем Вы говорили (по крайней мере в моём случае). Я сейчас разбираю 2-ю главу книги, которую Вы посоветовали – всё потихоньку встаёт на свои места. Начинаю понимать, что я вообще сделал. Двигаюсь медленно, поэтому за Вами не очень успеваю .

-- 02.05.2022, 17:38 --

[EUgeneUS]

Kevsh
Проверил параметры по постоянному току, в том числе максимальные допустимые параметры транзистора.
Верность выбора параметров по переменному току наглядно демонстрируется АЧХ.
Схема работать будет. ТЗ в целом удовлетворяется.

Несколько комментариев:
1. Напряжение на коллекторе (около 17 вольт) несколько выше рекомендуемых - половины напряжения питания. Однако, это даже хорошо - с учетом падения на эмиттерном резисторе, это даже ближе к "средней точке". Амплитуда неискаженного сигнала будет больше, чем при выборе напряжения на коллекторе равном половине напряжения питания.

2. Ток через делитель напряжения в базе рекомендуют выбирать в 10 раз больше, чем ток базы. Ток коллектора 24 мА, а значит при худшем значении коэффициента передачи тока (30) ток базы будет 0.8 мА, а значит рекомендованный ток через делитель будет 8 мА. А он около 2.5 мА. Для типового значения коэффициента передачи тока (около 100) такой делитель укладывается в рекомендованные параметры.

3. И наконец, питание усилителя для наушников от 27 вольт - это жирно Попробуйте сделать схему для более низких типовых значений питания: 15 или даже 12 вольт. Будет гораздо интереснее

[EUgeneUS]

Kevsh в сообщении #1553778 писал(а):

я подобрал нужные значения компонентов УК

Можно поитересоваться, как Вы подбирали значения компонентов?
Есть парочка моментов, которые указывают на то, что значения компонентов подбирались не только (или не столько) "методом научного тыка"

(Оффтоп)

1. Выбор тока через делитель в базе очень точно соответствует типовому значению коэффициента передачи тока для данного транзистора (при выбранном токе коллектора).
2. Выбор напряжения на коллекторе довольно точно попадает в "среднюю точку" с учетом сопротивления в эмиттере.

[Kevsh]

EUgeneUS
Нам в университете давали неравенства, с помощью которых я попал в некоторую начальную рабочую точку. Далее я немного её сместил таким образом, чтобы она на входной и выходной характеристиках попала в линейную область (вообще я повышал ток коллектора, чтобы так получилось). После этого я рассчитал сопротивления (некоторые из характеристик графическим способом, некоторые, опять же, из каких-то диапазонов, которые нам были даны) и ёмкости.
Вообще это курсовая работа. По сути, учитывая все данные материалы и рыбы, её можно было сделать, не зная, как считается реактивное сопротивление конденсатора. Я не шучу, я даже знаю людей, которые это провернули, лично. Так что цель этого топика – понять, что я сделал и как. Получившийся результат (там подробно написано, как выбирались компоненты, так просто это трудно объяснить), если хотите, могу скинуть файлом в ЛС (не думаю, что преподаватели сидят на форумах, но будет неприятно, если мою курсовую случайно обнаружат на форуме после такого бурного обсуждения темы...).

-- 03.05.2022, 20:09 --

EUgeneUS в сообщении #1553785 писал(а):

Kevsh
Попробуйте сделать схему для более низких типовых значений питания: 15 или даже 12 вольт. Будет гораздо интереснее

Хорошо, обязательно попробую, но чуть-чуть позже. Мы там уже операционные усилители проходим, а я биполярные транзисторы разбираю...

[EUgeneUS]

Kevsh в сообщении #1553823 писал(а):

Вообще это курсовая работа.

Ничоси
Вот это и имелось в виду, когда просил Вас рассказать контекст.
Из первого сообщения у меня почему-то сложилось впечатление, что Вы пытаетесь разобраться с работой БТ самостоятельно. А оказывается Вы прослушали курс, на этом курсе Вам дали некую методу, используя которую, Вы рассчитали вполне работающую схему, отвечающую ТЗ. Более того, метода настолько доходчивая, что:

Kevsh в сообщении #1553823 писал(а):

По сути, учитывая все данные материалы и рыбы, её можно было сделать, не зная, как считается реактивное сопротивление конденсатора.

То есть у Вас уже была пошаговая инструкция. А я Вам её набивал руками.
Как говорил мой учитель по электронике - "пионеры так не поступают".

В связи со вновь открывшимися обстоятельствами:
1. Из Хоровица и Хилла Вам не только настоятельно рекомендуется к прочтению вторая глава, но и решение всех упражнений из неё. Плюс - разбор годных и негодных схем, приведенных в конце второй главы. Особенно - негодных.

2. Если у Вас остались какие-то непонимания, то следует поступить так:
а) Вы пишите пошагово, что делали в курсовой в части расчета усилителя.
б) Каждый шаг описывается в формате:
i. Из известных параметров $A, B, C ...$
ii. Используя соотношения (равенства и неравенства) $\alpha, \beta, \gamma ...$
iii. Получаем параметр(ы) $F, E ...$
iv. "Тут всё понятно" или "тут мне не понятно следующее ...".
в) под "параметрами" понимаются именно измеряемые величины (ток, сопротивление, напряжение, импеданс и т.д.). Но не набор параметров вида "рассчитаем рабочую точку транзистора".
г) описываются все шаги в порядке выполнения! Даже, если в каком-то шаге для Вас всё понятно.
д) можно делать не до конца, а ограничится некоторым набором шагов. Но не пропуская промежуточные.

В таком случаем попробую помочь закрыть Ваши недопонимания.

3. Пункты 2 и 3 можно делать параллельно.
4. Буде Вы рассчитали (и довольно хорошо) усилитель и сдали курсовую, то описания в формате пункта 2 - не должно составить для Вас затруднений.
5. Курсовую в ЛС высылать не надо - я не оказываю индивидуальных консультаций. Выкладывать в свободный доступ, видимо, тоже.
6. И поймите один простой факт - телепатов не существует. Что Вы знаете и умеете, никто не знает, пока Вы об этом явно не сообщили.

-- 04.05.2022, 18:49 --

7. В дополнении к упражнениям из Хоровица и Хилла вот такой вопрос на понимание:
почему при напряжении питания 9В не удастся одновременно выполнить требования ТЗ и рекомендации из Хоровица и Хилла?