1.2. Определение положения точки покоя

Положение точки покоя на выходной характеристике транзистора выбирается с учетом необходимого зазора между рабочей точкой при ее максимальном удалении от точки покоя и границей рабочей области, как показано на рис.5. Такой зазор достигается, когда

- ток коллектора в точке А I_КА удовлетворяет условию:

> 0,05; (4)

- напряжение коллектор-эмиттер в точке А U_кэА не менее чем в 1,5-2 раза превышает напряжение коллектор-эмиттер U_кэн при котором в транзисторе при коллекторном токе I_КА наступает режим насыщения;

• напряжение коллектора в точке В U_кэВ удовлетворяет условию:

> 0,05; (5)

- ток коллектора в точке В в 1,5-2 раза превышает величину тока на вольт-амперной характеристике для I_Б = 0 при U_кэВ.

Кроме того, нагрузочная линия по переменному току должна быть удалена от гиперболы Р_{к max}.

Рис.5. К определению положения точки покоя

Точка покоя находится на середине прямой, соединяющей точки А и В. Расстояние этих точек от точки покоя определяет амплитуды переменных составляющих напряжения коллектор-эмиттер U_кэm и коллекторного тока I_{к m}, которые, в свою очередь, связаны с величиной мощности на выходе каскада соотношениями:

U_{кэ m} = , (6)

Р_вых = 0,5 I_{к m} U_{кэ m} . (7)

Как следует из соотношения (7), для получения большего уровня выходной мощности необходимо, чтобы R_к >> R_н.

По положению точки покоя на выходной характеристике транзистора определяются значения постоянных составляющих коллекторного тока I_КП и напряжения коллектор-эмиттер U_кэП (см. рис.4 и 5). По вольт-амперной характеристике, проходящей через точку покоя, определяется постоянная составляющая базового тока I_БП. Постоянная составляющая напряжения база-эмиттер U_БэП определяется по величине тока I_БП с использованием входной вольт-амперной характеристики, снятой при напряжении U_кэ и отличной от нуля (см. рис.3).

Из проведенного рассмотрения следует, что задаваемые значения параметров усилительного каскада могут быть реализованы при использовании выбранного типа транзистора, если прямоугольный треугольник, катеты которого равны соответственно 2I_кm и 2U_кэm, вписываются в рабочую область на выходной характеристике при оговоренных выше условиях. Такой треугольник с вершинами А, В и С показан на рис.5.

1.3. Расчет усилительного каскада по постоянному току

Резистор R_э введен в схему усилительного каскада для стабилизации точки покоя на выходной характеристике транзистора при изменении его температуры в процессе работы. Сопротивление резистора R_э определяется из соотношения:

I_ЭП R_э = α Е_к, (8)

где значение α в пределах 0,1 – 0,3 выбирается с учетом следующего компромисса. Для увеличения стабилизации точки покоя необходимо увеличивать сопротивление резистора R_э и, следовательно, значение коэффициента α. Однако, при этом увеличивается напряжение источника питания Е_к, что нежелательно.

Согласно второму закону Кирхгофа для контура постоянного тока, содержащего транзистор и источник Е_к, можно записать:

Е_к = I_К R_к + U_кэ + I_э R_э. (9)

Если в этом уравнении величины тока и напряжения положить равными значениям параметров в точке покоя, то его можно использовать для расчета сопротивления резистора R_к.

Уравнение (9) при подстановке в него соотношения (8) можно привести к виду:

U_кэ = (1 – α) Е_к - I_К R_к. (10)

Использование этого соотношения упрощает процедуру поиска положения точки покоя на выходной характеристике транзистора. Действительно, прямая, соответствующая его правой части, пересекает ось абсцисс в точке (1 – α) Е_к, а ось ординат - в точке и проходит через точку покоя, как показано на рис.6а.

Рис.6. К определению значения коэффициента α

При расчете усилительного каскада, как правило, осуществляется вариация значением коэффициента α в оговоренных выше пределах. Соотношение (10) позволяет исключить процедуру варьирования при расчете. Согласно этому соотношению точка покоя должна находиться внутри полосы, ограниченной двумя прямыми. Одна из них проходит через точку 0,9 Е_к на оси абсцисс и точку на оси ординат, а вторая – через точку 0,7 Е_к на оси абсцисс и точку на оси ординат. Такая полоса, ограниченная двумя пунктирными прямыми, представлена на рис.6б. Тогда процедура определения значений электрических параметров транзистора в точке покоя сводится к следующему. Необходимо в рабочую область транзистора на выходной характеристике с нанесенной полосой вероятного положения точки покоя вписать прямоугольный треугольник с катетами 2I_кm и 2U_кэm, показанный на рис.5. При этом должны быть выполнены условия, оговоренные в разделе 1.2. Точка на середине гипотенузы вписанного треугольника должна находиться внутри нанесенной полосы. Координаты этой точки и являются значениями коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя. Прямая, проведенная через нее параллельно границам полосы вероятного положения точки покоя (сплошная линия на рис.6б), позволяет определить значение коэффициента α, которое должно быть использовано при расчете сопротивления резистора R_э по соотношению (8).

Цепь постоянного тока в схеме усилительного каскада показана на рис.1. Как видно, через резистор R₁ делительной цепочки, кроме тока I_Д, протекает ток базы I_БП, а через резистор R₂ – только ток I_Д. Расчет сопротивлений этих резисторов производится с использованием соотношений, записанных в соответствии со вторым законом Кирхгофа для содержащих их контуров:

R₁ = , (11)

R₂ = . (12)

При этом считается, что I_КП ≈ I_ЭП.

В обеспечение стабилизации точки покоя на выходной характеристике транзистора должно происходить изменение тока базы. Чтобы изменение этого тока не сильно отражалось на делительных свойствах цепочки резисторов R₁ – R₂ , величина тока I_Д делительной цепочки должна в несколько раз превышать ток I_БП. Однако существенное увеличение тока I_Д не представляется возможным, поскольку для его увеличения требуется уменьшать сопротивление резисторов R₁ и R₂, в результате, как будет показано в разделе 1.4, шунтируется вход транзистора этими резисторами для переменного тока. Обычно полагается, что должно выполняться неравенство:

I_Д =( 2,5 – 5) I_БП. (13)