3. 7 Графоаналитический расчет динамического режима транзистора

Транзистор VT p-n-p-типа (необходимо указать марку транзистора и его тип проводимости) включен в усилительный каскад по схеме с ОЭ. Каскад питается от одного источника с напряжением Е_к = – 10 В. Для подачи смещения в цепь базы используется резистор R_б. Имеет место смещение рабочей точки током базы покоя. Обратите внимание, что на рисунке 2.1 включен транзистор типа n-p-n,  тогда как в задаче задан p-n-p-типа.

Постоянная составляющая тока базы I_б0= 0,3 мА, амплитуда переменной составляющей тока базы I_mб =0,2 мА, сопротивление нагрузки R_к = 0,5 кОм, а максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллектором, Р_Кmax =150 мВт. Диапазон частот усиливаемых колебаний f_н=80 Гц , f_в=5 кГц.

 

Требуется:

а)   привести схему включения заданного транзистора и выполнить графоаналитический расчет ее;

б)  проверить, не превышает ли мощность Р_К0, выделяемая на коллекторе в режиме покоя, максимально допустимую мощность Р_Кmax;

в)  для рабочей точки усилителя найти параметры h_21э, h_22э, R_вых = 1/ h_22э, h_11э, и аналитически рассчитать величины К_I, К_U, К_P, R_вх.

 

Методические указания к выполнению графоаналитического  расчета динамического режима транзистора

Характеристики транзистора берутся из справочника, например, для заданного показаны на рисунках 3.2 и 3.3:

 

 

 

 

 

 

а) на семействе выходных характеристик (см. рисунок 3.3) строим линию максимально допустимой мощности, используя уравнение:

I_Kmax = Р_Кmax  / U_кэ   I_Kmax = 15010^-3   / U_КЭ .

Подставим значения U_КЭ, равные, например, -7,5; -10; -15; -20 В, получаем  значения  I_Kmax, равные 20; 15; 10; 7,5 мА, соответственно (см.таблицу 3.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 3.1

UКЭ, В	− 7,5	− 10	− 15	− 20
IKmax, мА	20	15	10	7,5

 

Построим по этим точкам линию Р_Кmax  на рисунке 3.3;

б) используя уравнение линии нагрузки I_к=(Е−U_кэ)/R_к, на семействе выходных характеристик строим линию нагрузки

при I_к= 0, U_кэ = Е_к =  − 10 В  − первая точка линии нагрузки,

при U_кэ= 0, I_к = Е_к/ R_к =10/500 = 20 мА − вторая точка. Соединяем их.

Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой, соответствующей постоянной составляющей тока базы I_б0=300 мкА, определит рабочую точку. Ей будут соответствовать

I_ко = 6 мА,  U_кэ0 = −7 В.

Амплитуду переменной составляющей тока коллектора определим как среднее значение

,            I_mк = (910^-3 −210^-3) / 2 = 3,5 мА.

Амплитуда переменного напряжения на нагрузке

U_mR = U_mкэ = I_mк R_к,      U_mR = U_mкэ = 3,510^-3  0,510³ = 1,75 В.

Коэффициент усиления по току

К_I  = I_mк / I_mб,                  К_I  = 3,510^-3 / 0,210^-3 = 17,5.

 

Выходная мощность     Р_вых = 0,5 I_mк U_mR ,     

Р_вых = 0,53,510^-3 1,75 = 310^-3  = 3 мВт.

 

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи

Р₀ = Е_кI_к0,      Р₀ = 10610^-3 = 60 мВт.

Кпд коллекторной цепи

 = Р_вых / Р_о,                  = 310^-3 / 6010^-3 = 0,05 = 5 %.

 

Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока

Р_К0 = I_К0U_КЭ0,               Р_К0 = 610^-37 = 42 мВт,          Р_Кmax = 150 мВт,

Р_К0  Р_Кmax  − следовательно, режим работы усилителя является допустимым;

в) далее расчет ведем по семейству входных характеристик (см. рисунок 3.2). У транзисторов входные характеристики расположены близко друг от друга, поэтому в качестве рабочей входной характеристики можно принять одну из статических входных характеристик, соответствующую активному режиму, например, характеристику, снятую при U_КЭ = − 5 В. Из графика находим, что U_бэ0 = − 0,25 В.

Амплитуда входного напряжения

,       U_mбэ = (27710^-3 − 18710^-3) /2 = 45 мВ.

Модуль коэффициента усиления по напряжению

К_U = U_mкэ / U_mбэ,                  К_U = 1,75 / 4510^-3 = 39.

Коэффициент усиления по мощности

К_Р =  К_I K_U ,                   K_P = 3917.5  690.

Входная мощность

P_вх = 0,5I_mбU_mб,              Р_вх = 0,50,210^-3 4510^-3 = 4,5 мкВт.

Входное сопротивление

R_вх = U_mбэ / I_mб,              R_вх = 4510^-3 / 0,210^-3 = 225 Ом.

Сопротивление резистора R_б

,           R_б = (10−0,25) /0,310^-3 =32,5 кОм.

Емкость разделительного конденсатора С_р определяется из условия

 где _н – низшая рабочая частота;

С_Р = ,С_Р =10 / (6,2880225) = 90 мкФ;

г) рассчитаем h-параметры в рабочей точке при U_КЭ =  7 В и I_к0 = 6 мА

h_21э  =  = ;

по точкам В и Г на рисунке 3.3 определим

h_21э  = = 18,5.

По точкам D и E определим

h_22э  = h_22э  = = 117мкСм.

R_вых = ,                      R_вых = = 8,5кОм,

параметр h_11э  = .

По точкам М и N на рисунке 3.2 определим

h_11э  = = 210Ом.

Крутизна характеристики транзистора

S = y_21э = == 88мА/В.

С помощью найденных параметров определим искомые значения по приближенным формулам. Коэффициент усиления по току К_I  h_21э = 18.5, точнее

К_I = == 17.5, что сходится с результатом графо-аналитического расчета.

Входное сопротивление R_вх  h_11э  210 Ом.

Коэффициент усиления по напряжению

К_U   = - 44;       точнее,К_U = = - 41.5.

Коэффициент усиления по мощности

K_P = K_I  K_U = 17,5  41,5 = 725.