Расчёт усилительного каскада
.docРасчёт усилителя ОЭ по постоянному току.
UВЫХМАКС UВЫХМАКС = UН
-
Рабочее напряжение выбирается (см. рис. …) из условия
,
где – запас напряжения, связанный с нелинейностью вольт-амперных выходных характеристик;
– запас напряжения, связанный с уходом рабочей точки из-за температуры и разброса параметров транзистора;
– амплитуда выходного напряжения, которая определяется из задания.
1. Локализация рабочей точки (Р.Т.):
а) пологий участок IK = f(UКЭ),
б) P < PКдоп,
в) IЭ = f(UбЭ) – на линейном участке,
г) I <IКМАКС, UK < UKМАКСдоп.
Максимально допустимые значения берутся из справочника по транзисторам .
2. Выбор (предварительный) величины UИП:
, т.к. k ≈ 1
UВЫХМАКС = UН (см. задание).
3. Определив область локализации Р.Т. и её примерные параметры IKП и UКЭП, через рабочую точку и UИП проводим статическую нагрузочную линию (прямую)
UКЭ = UИП – IK∙∙R=
4. Определяем по наклону этой прямой сумму(RК + RЭ) = R= (по постоянному току)
R= = (RК + RЭ) =
5. Как определить из этой суммы минимальную величину RК ?
1) по наклону нагрузочной прямой для переменного тока (динамическая линия нагрузки)
(см. эквивалентную схему в h – параметрах для усилителя ОЭ).
Провести эту прямую через точку А так, чтобы на оси напряжений от величины UКЭП отложить отрезок больше величины UВЫХМАКС (иначе – искажения). Наклон динамической линии нагрузки (RК || RЭ) даёт R~.
2) Величину R~ можно определить и следующим образом:
.
6. Далее определяется RЭ
RЭ = R= – RК
7. Делитель R1 – R2 рассчитывается из условия термостабильности рабочей точки
Для кремниевых приборов можно изменением теплового тока коллекторного перехода пренебречь. Выражение упрощается (пренебрегаем членом ).
Принимаем: Rб = R1 || R2,
.
Из практики часто принимают
Кроме того ∆Iдоп можно определить из коллекторных характеристик: точка A смещается по статической нагрузочной линии при увеличении температуры вверх в точку A* (см. график).
Смотрим, чтобы размах UВЫХМАКС от проекции точки А` не попадал на границу области насыщения (иначе – искажения).
8. Температурные изменения ∆IК коллекторного тока можно определить следующим образом:
∆UЭб = – ξ∙∆Т, где ξ = 1…2 мВ/◦С,
∙∆Т – диапазон рабочих температур (задаётся в задании).
,
где γ1 = 6,7,
γ2 = 3,6.
Можно использовать также следующие выражения
9. Из выражения для ∆IК получаем
, где Rб = R1 || R2.
β = β0 – сред. по диап., ∆ β – разброс от β0 до βmax.
Если величина Rб оказалась <0, то обеспечить термостабильность НЕ удалось.
Следует изменить положение рабочей точки А: надо сместить т. А вверх и вправо (IКП ↑ и UКЭП ↑).
10. Верхнее сопротивление делителя можно определить
Где Rб = R1 || R2.
(Для схемы с ОК – расчёт тот же при RК = 0).
11. Делитель R1 – R2 задаёт ток базы в т. A – ток IбП
.
При этом φб = φЭ + UбЭП, (это напряжение на резисторе R2).
Iбп – находится из выходных (коллекторных характеристик).
Считаем, что при UКЭ ≠ 0 кривые сливаются.
.
(Формула является оценочной), берётся из формулы эквивалентного генератора, когда нет транзистора Iб = 0.
Следовательно, величины R1 и R2 можно точно определить из решения системы уравнений:
.
12. Практические величины RК ≈ 2/3 R=, RЭ ≈ 1/3 R=.
13. Расчёт параметров усилителей ОЭ и ОК производится по эквивалентной схеме – малосигнальная схема в h – параметрах.
h – параметры определяются по входным и выходным характеристикам транзистора в рабочей точке.
14. Определение величины ёмкостей разделительных конденсаторов:
Постоянная времени усилителя для диапазона больших τН
, где
,
.
Отсюда определяются СР1 и СР2, имея в виду, что
, fН – задана.
Принять
, ,
,
Тогда , , .
15. Определение верхней границы полосы пропускания:
Постоянная ,
где ,
.
;
СЭ0 = СК0 + Сб0 из справочника, | β | =1
СВХ ≈ 10…20 пФ, (десятки пФ).
, , fТ ,fβ – из справочника.
Методические указания к расчёту усилителей ОЭ.
Схема 1.
Эквивалентная схема ОЭ в h – параметрах.
1) Диапазон СЧ, тогда (RЕ || XСЭ) ≈ 0.
2) Rб = R1 || R2
3) Ввиду , можно пренебречь элементом .
1. (по перемен. сост.).
а) RН = ∞, режим ХХ.
(без учёта )
б) с учётом нагрузки RН:
- коэффициент перераспределения выходного напряжения.
2. ,
т.е. RН = Rб || h11Э.
3.
4. kU с учётом RГ (выходного сопротивления генератора входного сигнала).
,
т.е. можно ввести - коэффициент перераспределения напряжения на входе
.
kU = kU ХХ∙∙ - коэффициент усиления по напряжению с учётом условий на входе и выходе.
Схема 2.
1) ,
Если h11Э << , то
, где ,
и тогда окончательно:
- т.е. не влияют индивидуальные параметры транзистора и, следовательно, их разбросы.
2) RВХ = Rб ||
3) RВЫХ ≈ RК
5. Параметры рабочей точки
(в зависимости от схемы).
Эмиттерный повторитель (усилитель ОК).
Необходимость в каскадах с повышенным RВХ и пониженным RВЫХ. Каскад ОК не даёт усиления по напряжению и не поворачивает фазу входного сигнала. Величина напряжения UбЭ мала и мало меняется при работе каскада. Следовательно, привязан к и повторяет его изменения.
Эквивалентная схема в h – параметрах.
Rб = R1 || R2.
1)
2) RВХ = Rб ||
RВХ = 10…100 кОм (большое).
3) RВЫХ определяется при закорачивании входного источника.
RВЫХ = RЭ ||
но RЭ >>,
тогда .
RВЫХ уменьшается по сравнению со схемой ОЭ.
RВЫХ (ОК) = 20…100 Ом, что является положительным качеством.
Усилительные каскады в области низких частот.
Ранее рассматривали в области СЧ для упрощения расчёта. Но имеется АЧХ, где k
Уменьшение kU:
-
из-за разделительного конденсатора СР;
-
блокир. конд. СЭ.
Процесс спада плоской вершины импульса связан с процессами перезарядки.
Определение параметров транзистора – h – параметры.
-
Определение
h11 – входное сопротивление транзистора. Определяется по входной характеристике транзистора Iб = f(UбЭ ). В определённой точке (например, рабочей точке) к характеристике проводится касательная и, используя построенный треугольник, определяются ∆UбЭ и ∆iб.
[В/мА] → кОм , [ В/А] → Ом
линия UКЭ = const для заданной точки А.
1)
∆IК – по проекции на ось тока двух точек двух кривых при UКЭ = const.
∆Iб – берётся из разности Iб4 и Iб3.
-
Определение выходного сопротивления транзистора
В заданной точке В проводится касательная к кривой, строится треугольник и находятся величины ∆IК и ∆UКЭ (см. рис.).
Для нахождения величин h – параметров используются реальные вольт - амперные характеристики транзисторов (справочные или экспериментальные).