Методические указания к выполнению курсовой работы: Расчет усилительного каскада, Архангельск 2010 (стр. 2 )

Изменения коллекторного тока транзистора зависят от изменений тока базы и от изменений напряжения на коллекторе:

EП. = UК. Э. П + UЭ. П. + RК. IК..

Такой режим работы транзистора называется динамическим, а характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления нагрузки, динамическими характеристиками (рис. 7). Динамические характеристики строят на семействе статических характеристик при заданных значениях напряжения источника питания коллекторной цепи EП. и сопротивления нагрузки RК.. Для построения выходной динамической характеристики используют уравнение динамического режима, которое представляет собой уравнение прямой, так как при переменной величине IК. стоит постоянный коэффициент RК.. Поэтому достаточно найти отрезки, отсекаемые прямой на осях координатной системы (IК., UК. Э.). Если IК. = 0, то  UК. Э. = ЕП. и при UК. Э. = 0,

IК. = EП. / RК..

Отложив на соответствующих осях напряжение, равное EП., и ток, равный EП. / RК., через полученные точки проводят прямую, которая называется нагрузочной прямой. Выходная динамическая характеристика является геометрическим местом точек пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками. Используя динамическую коллекторную характеристику, можно для любого значения коллекторного тока найти соответствующие значения напряжения на коллекторе и тока во входной цепи IБ., которые являются взаимосвязанными. Нагрузочную прямую можно построить так же, проведя прямую линию из точки ЕК. под углом ш = arctg(RК.).

Точку пересечения нагрузочной прямой со статической характеристикой при заданном токе базы, определяемым источником смещения, называют рабочей точкой, а ее начальное положение на нагрузочной прямой (при отсутствии входного переменного сигнала) – точкой покоя (или начальной рабочей точкой –  н. р.т.). Точка покоя однозначно определяет ток покоя выходной цепи IК. П. и напряжение покоя  UК. Э. П..  Режим работы транзистора, при котором рабочая точка не выходит за пределы участка нагрузочной прямой, называют линейным или усилительным режимом. При этом при изменении входного тока (тока базы) пропорционально изменяется выходной ток (ток коллектора). Если входной ток IБ. max. равен току базы насыщения  I Б. НАС. (точка ), то дальнейшее его увеличение не приводит к росту коллекторного тока, который достигает тока насыщения IК. НАС.. При этом напряжение на коллекторе UК. Э. НАС. невелико (0,1 – 0,3 В) и, следовательно,  UК. Э. НАС.ЕП.. В режиме насыщения оба перехода транзистора смещаются в прямом направлении.

Условие насыщения транзистора: IБ. max.I Б. НАС.. 

Ток коллектора в режиме насыщения: IК. НАС. = EП. / RК. определяется только параметрами внешней цепи.

Область насыщения расположена левее неуправляемого участка статической характеристики (левее точки ). Ток насыщения IК. НАС. для сохранения нормального теплового режима не должен превышать максимально допустимого коллекторного тока транзистора IК. max., заданного в справочнике. 

Если оба перехода транзистора смещены в обратном направлении, то через них могут проходить обратные неуправляемые токи. При этом в коллекторной цепи проходит ток IК. =  IК..Б. 0, а в базовой цепи IБ. = – IК. Б. 0. Напряжение на коллекторе UК. Э. ОТСЕЧКИ практически равно EП.. Область отсечки расположена правее неуправляемого участка статической характеристики (левее точки ). 

Режимы работы транзистора – насыщения и отсечки используются в импульсных устройствах промышленной электроники.

Динамические характеристики биполярного транзистора изображены на рис. 7.

Рис. 7. Динамические характеристики транзисторного усилителя

Период входного синусоидально изменяющегося сигнала

Т = 1/fГ..

Угол сдвига фаз между выходным и входным напряжением

ц= arctg(1/(щфН.) – щфВ.).

В зависимости от местоположения начальной рабочей точки (н. р.т.) различают следующие режимы работы усилительного каскада: А, В, С.

В режиме А начальную рабочую точку выбирают на середине нагрузочной прямой. Этот режим применяют в усилителях напряжения. Нелинейные искажения усиливаемого напряжения в этом случае незначительны, но усилитель имеет низкий КПД  усиления (менее 30%).

В режиме В начальную рабочую точку выбирают в точке отсечки (в начале переходной характеристики) транзистора. Нелинейные искажения усиливаемого напряжения в этом случае велики, но и КПД усилителя в этом режиме более высок (до 80 %).

В режиме С начальную рабочую точку выбирают за точкой отсечки транзистора. Нелинейные искажения усиливаемого напряжения в этом случае очень значительны, но и КПД высок (до 100 %).

4. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Расчет параметров режима покоя усилителя

Расчет усилительного каскада производится с помощью схемы замещения, представленной на рис. 8.

В данной схеме:

R* Б.  – сопротивление делителя в цепи базы усилителя, Ом.

R* Б. = R б.1 R б.2 / (R б.1 + R б.2).

Рис. 8. Схема замещения усилительного каскада

С0 – емкость монтажа, Ф.

h11 – входное сопротивление транзистора, Ом.

Выбор режима работы усилителя и рабочей точки производят в зависимости от назначения рассчитываемого усилителя.

При расчете усилителя в режиме А на входной вольт – амперной характеристике транзистора выделяют линейный участок. Согласно выбранному участку определяют параметры покоя усилительного каскада: IБ. П. и Uб. э. п..

Проецируя точку тока базы покоя на переходную характеристику, определяют значение тока покоя коллектора IК. П.. Ток коллектора покоя связан с током базы покоя транзистора соотношением

IК. П.= h21IБ. П..

h21 - статический коэффициент передачи тока базы транзистора, справочная величина.

Значение h21 обычно задается в виде диапазона, соответствующего технологическому разбросу этого параметра от транзистора к транзистору. Для расчета необходимо взять среднее геометрическое значение из этого диапазона

.

Далее строят нагрузочную прямую: на оси абсцисс выходных характеристик транзистора отмечают значение напряжения источника питания ЕП., на оси ординат – значение тока коллектора насыщения

IК. НАС. = 2IК. П.. Проводят нагрузочную прямую через эти точки. Определяют напряжение покоя коллектор – эмиттер транзистора

UК. Э. П..

Ток покоя эмиттера, А 

IЭ. П. = IК. П + IБ. П..

В целях экономичности и получения удовлетворительной температурной стабильности напряжение покоя эмиттера выбирают

UЭ. П. = (0.1 ÷ 0.2)EП..

Напряжение покоя коллектор – эмиттер, В

UК. Э. П.= 0.5EП. – UЭ. П..

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора транзистора, Вт

P0 = UК. Э. П. IК. П.

Транзистор выбран правильно, если выполняется условие

P0 < P*К. max...

P*К. max. - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе биполярного транзистора, по значению этой мощности транзисторы подразделяются на транзисторы маломощные, мощные и средней мощности.

Выходная мощность, создаваемая усилительным каскадом на транзисторе

РВЫХ. = 0.5UК. max. * IК. max...

где UК. max., IК. max. – амплитуды коллекторных напряжения и тока.

КПД усилительного каскада

.

КПД усилительного каскада в режиме работы “А” довольно низок.

Расчёт цепи отрицательной обратной связи усилителя

и сопротивлений делителя напряжения в цепи базы RБ.1, RБ.2

Расчёт сопротивления резистора в цепи отрицательной обратной связи RЭ., Ом

Такое значение RЭ. обеспечивает достаточную температурную стабилизацию и незначительное понижение UВЫХ..

  Для лучшего качества передачи сигнала емкость конденсатора в цепи отрицательной обратной связи СЭ. принимают равным

.

fН. – нижняя граничная частота усиления усилительного каскада, Гц.

Для обеспечения возможности работы схемы усилителя на заданной частоте источника входного сигнала fГ. необходимо значение частоты fН. принять ориентировочно в несколько раз меньше заданной частоты fГ..

Для количественной оценки термостабильности режима усилительных каскадов с О. О.С. на биполярных транзисторах вводится коэффициент нестабильности N, который показывает, во сколько  раз температурные изменения коллекторного тока IК. 0 в усилителе с О. О.С. больше, чем температурные изменения коллекторного тока I*К. 0 в усилителе с идеальной термостабилизацией.

Для усилителя с общим эмиттером

.

R* Б. = R б.1 R б.2 / (R б.1 + R б.2).

То есть, путем подбора значений сопротивлений RЭ. и R* Б., разработчик имеет возможность получить необходимую степень стабилизации.

Сопротивления делителя Rб1 и Rб2

.

.

Расчёт  сопротивления RK. в цепи коллектора транзистора