6 *********************************************************

7 Порядок расчета усилителя напряжения на биполярном транзисторе

1. Выбираем тип транзистора, руководствуясь следующим:

а) U_кэдоп ≥ (1,1–1,3)E_пит, где U_кэдоп – наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, приводится в справочниках;

б) I_кдоп > 2I_нм = 2U_выхm/R_н, где I_нм – наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки; I_кдоп – наибольший допустимый ток коллектора, величина которого приводится в справочниках.

Примечания:

а) заданному диапазону температур (T_min = +15 ºС; T_max = +25 ºC); удовлетворяет любой транзистор;

б) для выбранного типа транзистора выбрать из справочника значение коэффициента усиления по току для схемы включения с ОЭ β_max (или h_21mах). Если же приводится коэффициент усиления α по току для схемы включения с ОБ и начальный ток коллектора I_кн, тогда β рассчитываем по формуле:

.

(25)

При выборе режима работы транзистора необходимо выполнить условие I_кmin ≥ I_{кминдоп}.

2. Режим работы транзистора определяем по нагрузочной прямой, построенной на семействе выходных статических (коллекторных) характеристик для схемы включения с ОЭ. Построение нагрузочной прямой показано на рисунке 53. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: 0 – точки покоя (рабочей) и точки 1, определяемой значением напряжения источника питания E_пит. Координатами точки 0 являются ток покоя I_к0 и напряжения покоя U_кэ0 (т. е. ток и напряжение, соответствующие U_вх = 0).

В расчетах можно принять, что I_к0 = (1,05–1,2)I_нм.

Напряжение покоя: U_кэ0 = U_выхm + ΔU_кэ = U_кm + ΔU_кэ, где ΔU_кэ – напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора. Для маломощных транзисторов можно принять ΔU_кэ = 0,5–1,0 В.

3. Определяем значения сопротивлений R_к и R_э, сумма которых является общим сопротивлением в цепи эмиттер-коллектор R_об = R_к + R_э. По выходным характеристикам (рисунок 7.1) находим R_об = E_пит/I, где I – ток, определяемый точкой 4, т. е. точкой пересечения нагрузочной прямой с осью токов. Принимая R_э = (0,15–0,25)R_к, получаем:

Rк = Rоб/(1,15–1,25); Rэ = Rоб - Rк.

(26)

Рисунок 7.1 – Графические построения на статических выходных

характеристиках транзистора

4. Определяем наибольшие амплитудные значения входного сигнала тока I_вхm и напряжения U_вхm, необходимые для обеспечения заданного значения U_выхm. По нагрузочной характеристике определяем минимальное I_к1 (которое должно быть больше I_{кминдоп}) и максимальное I_к2 значения коллекторного тока, а также соответствующие значения тока базы (I_бmin и I_бmax).

По входной статической характеристике для схемы ОЭ (рисунок 7.2) определяем величину 2U_вхm.

5. Определяем входное сопротивление R_вх каскада переменному току (без учета делителя напряжения R₁ и R₂):

Rвх~ = 2Uвхm/2Iвхm ≈ 2Uвхm/2Iбm.

(27)

6. Рассчитываем сопротивления делителя R₁ и R₂. Для уменьшения шунтирующего действия делителя на входную цепь каскада по переменному току принимают R_1-2 ≥ (2–5)R_вх~, где R_1-2 = R₁R₂/(R₁ + R₂). Тогда

R1 = EпитR1-2/RэIэ = EпитR1-2/RэIк0; R2 = R1R1-2/(R1 – R1-2).

(28)

Рисунок 7.2 – Построения на входных статических характеристиках транзистора

7. Коэффициент нестабильности работы каскада S:

,

(29)

где β_max – наибольший возможный коэффициент усиления по току выбранного типа транзистора.

Для нормальной работы каскада коэффициент нестабильности не должен превышать нескольких единиц (~7–10).

8. Определяем емкость разделительного конденсатора С_р:

,

(30)

где R_выхт – выходное сопротивление транзистора, определяемое по выходным статическим характеристикам для схемы ОЭ. В большинстве случае R_выхт ≥ R_к, поэтому можно принять R_вых ≈ R_к + R_н.

9. Находим емкость конденсатора в цепи эмиттера:

Сэ ≥ 10/2πfнRэ.

(31)

10. Рассчитываем коэффициент усиления каскада по напряжению в режиме холостого хода:

Kuх = Uвыхm/Uвхm.

(32)

11. Рассчитываем коэффициент усиления каскада по напряжению при номинальной нагрузке:

(33)

Примечание. Приведенный порядок расчета не учитывает требований на стабильность работы каскада.

При анализе транзисторных усилителей широкое распространение получили h-параметры. Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами: I_б, U_бэ, I_к и U_кэ. Из практических соображений удобно выбирать в качестве независимых значений U_кэ и I_б, тогда U_бэ = f₁(I_б, U_кэ) и I_к = f₂(I_б, U_кэ).

В усилительных схемах входным и выходным сигналами являются приращения входных и выходных напряжений и токов. В пределах линейной части характеристик для приращений ΔU_бэ и ΔI_к справедливы равенства:

ΔUбэ = h11ΔIб + h12ΔUкэ, ΔIк = h21ΔIб + h22ΔUкэ,

(34)

где h-параметры – соответствующие частные производные, которые можно найти по семейству входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ:

h11 = ΔUбэ/ΔIб при Uкэ = const (ΔUкэ = 0); h12 = ΔUбэ/ΔUкэ при Iб = const (ΔIб = 0); h21 = ΔIк/ΔIб при Uкэ = const (ΔUкэ = 0); h22 = ΔIк/ΔUкэ при Iб = const (ΔIб = 0).

(35)

Параметр h₁₁ – входное сопротивление транзистора; безразмерный параметр h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению (при практических расчетах его можно полагать равным нулю); h₂₁ – коэффициент передачи по току, характеризующий усилительные свойства (по току) транзистора при постоянном напряжении на коллекторе; h₂₂ – характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы. Указанные h-параметры хорошо описывают работу транзистора в области низких и средних частот.

Рисунок 7.3 – Схема замещения транзистора в области

низких и средних частот

В соответствии с уравнениями (33) на рисунке 7.3 изображена схема замещения транзистора для переменных составляющих токов и напряжений при h₁₂ = 0. Для расчета параметров усилителя необходимо определить

h-параметры вблизи рабочей точки по семействам входных и выходных характеристик. При этом коэффициент усиления усилителя по напряжению в режиме холостого хода определяется как:

,

(35)

а при нагрузке

(36)

Входное сопротивление усилителя R_вх ≈ h₁₁, а выходное – R_вых ≈ R_к.

Задание на расчетно-графическую работу выдается преподавателем каждому студенту индивидуально, при этом указывается вариант задания. Предлагаемые к решению задания должны рассматриваться и решаться по мере прочтения лекционного материала. Успешное выполнение расчетно-графической работы зависит от систематического и планомерного выполнения графика календарного плана.