Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
МУ к РГЗ №1.Усил. и ТШ .с прил.doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
503.3 Кб
Скачать
    1. Усилительный каскад с общим эмиттером

Основными элементами схемы (рис. 1.2) являются источник питания Ек, управляемый элемент — транзистор VT и резистор Rk в цепи коллектора.

Рис. 1.2. Схема усилительного каскада с ОЭ

Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания коллекторного тока, управляемого по цепи базы, созда­стся усиленное переменное напряжение на выходе схемы.

Резисторы R1, R2 используются как делитель напряжения и служат для задания режима покоя каскада. Резистор R1 предназначен для создания цепи протекания тока базы покоя I0б, который определяет величину тока покоя коллектора

I0к = β·I0б + I*к0,

где β – коэффициент усиления по току, I*к0 –тепловой ток.

При нормальной комнатной температуре тепловой ток можно не учитывать в виду его малости.

При отсутствии R2 схема называется схемой с фиксированным током базы. В этом случае режим покоя будет обеспечен базовым током, обусловленным только резистором R1. Такая схема очень чувствительна к колебаниям температуры. Поэтому ее целесообразно применять только для устройств, работающих в узком пределе их изменения. Значительно большее распространение получила схема с фиксированным потенциалом базы, который и обеспечивается с помощью делителя R1 – R2.

Резистор Rэ осуществляет отрицательную обратную связь по току и предназначен для стабилизации режима покоя при измене­нии температуры. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по пере­менному току, исключая проявление отрицательной об­ратной связи по переменному току и соответствующее уменьшение коэффициентов усиления каскада.

Стабилизирующее действие сопротивления Rэ. на ток I можно пояснить следующим образом. Допустим, под влиянием температуры увеличился ток I. В такой же степени увеличится и ток эмиттера I = I + I и напря­жение на сопротивлении Rэ, URэ = Iэ·Rэ. Напряжение UR2 можно счи­тать постоянным, так как при проектировании каскада выбирается ток делителя Iд на порядок больше тока базы покоя транзистора Iд = 10 ·I. Поэтому напряжение покоя эмиттер-база транзистора уменьшается U0эб = UR2URЭ. В соответствии с входной характеристикой транзи­стора уменьшается и ток базы I, вызывая уменьшение тока покоя коллектора I, чем создается препятствие увеличе­нию тока коллектора I.

1.3. Расчет маломощного усилительного каскада с оэ

Расчет усилительного каскада состоит из двух этапов. На первом этапе основной задачей является обеспечение стабилизации точки покоя и построение линии нагрузки по постоянному току. Второй этап имеет своей целью выбор конденсаторов и построение нагрузочной прямой по переменному току, расчету входного и выходного сопротивлений каскада, коэффициентов усиления по току, напряжению и мощности.

Расчет каскада по постоянному току проводят графо­аналитическим методом, основанным на использовании входных и выходных характеристик транзистора (рис. 1.3).

Рис. 1.3. К графическому анализу режимов работы каскада с ОЭ.

Исход­ными данными для расчета являются: напряжение ис­точника питания Ек, параметры точки покоя I, U0кэ (точка П на рис. 1.3,б), сопротивление нагрузки Rн, тип транзистора (p-n-p или n-p-n) и нижнюю граничную частоту усиливаемого сигнала f.

При выпол­нении расчетов используют некоторые допущения, используемые в практике применения каскадов ОЭ. Считается, что для хорошей температурной стабилизации точ­ки покоя следует выбирать падение напряжения на эмиттерном сопротивлении URэ = (0.1÷0,3) Ек.

Вариант и исходные дан­ные для расчета выбираются из табл. 1 по порядковому номеру Ф.И.О. студента в журнале.

Методические указания к выполнению расчетов. В результате расчета маломощного усили­тельного каскада с -связью необходимо:

1) определить номинальные параметры всех элементов схемы (R1, R2, RК , RЭ, С1, С2, Сэ );

2) рассчитать коэффициент нестабильности усилительного каскада;

3) определить коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности;

4) на выходных характеристиках транзистора построить линии нагрузки по постоянному и переменному токам.

При выполнении расчетов студент может поль­зоваться одной из известных методик, изложенных в рекомендо­ванной литературе или других доступных источниках [1], [2]. Нами рекомендуется следующая последовательность расчета.

А. Выбирается тип транзистора в соответствии с вариантом (табл.1)

Тип транзистора выбирают с учетом частотного диапазона ра­боты каскада (по частоте fa или fб), а также параметров по току, напряжению и мощности. Максимально допустимый ток коллектора транзистора Iк.доп должен быть больше максимального мгновенного значения тока коллектора в каскаде, т. е.

I k max = I0k + Ik m < kн Iк доп

По напряжению транзистор выбирают из соотношения

Uкэ доп kн Е = (1.2 ÷1.5)Е .

Здесь kн – коэффициент нагрузки транзистора, представляющий собой отношение фактического нагрузочного параметра к его номинальному значению. Коэффициент kн вводится для повышения надежности транзистора и в зависит от условий эксплуатации усилительного каскада может изменяться в широких пределах от 1,1 до 2,5. Нагрузочными параметрами для транзистора являются ток, напряжение и мощность.

Мощность Рк = UI, рассеиваемая на коллекторном переходе, должна быть меньше на (20-40) % максимально допустимой мощности Рк.доп тран­зистора.

Б. Рассчитываются значения сопротивлений резисторов

Сопротивление резистора выбирается таким, чтобы падение напряжения на нем было в пределах (0,1÷0,3) Ек. Принимая URэ = 0,2 Ек (см. рис. 1,2), получим

,

где EК - напряжение источника питания;

I - ток покоя коллектора, определяющий режим работы транзистора по постоянному току;

I- ток покоя базы. Определяется из семейства выходных характеристик по заданному току покоя коллектора Iна основе метода графической экстраполяции.

Коллекторное сопротивление равно

где U0кэ - напряжение между коллектором и эмиттером в режиме покоя по постоянному току.

В. Проводится линия нагрузки по постоянному току на выходных характеристиках транзистора рис. 1.3, б, представляющих собой гео­метрическое место точек, координаты которых Iк и Ukэ соответствуют возможным значениям точки покоя каскада. Для построения линии нагрузки по постоянному току достаточно двух точек, так как она представляет собой прямую линию (линейное сопротивление R свя­зывает между собой ток и напряжение каскада).

На оси абсцисс находится первая точка, исходя из режима "холостого хода", т. е., при Iк = 0. Тогда напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Uкэ будет равно напряжению источника питания Ек, так как падение напряжения на Rк принимается равным нулю. Вторая точка определяется из режима короткого замыкания Uкэ = 0. При этом ток коллектора транзистора должен быть равен Iк = Ek/(Rk+ Rэ). Отложив это значение тока на оси ординат, получим вторую точку.

Линия, соединяющая первую и вторую точки, является линией нагрузки по постоянному току. Аналитическое уравнение линии на­грузки по постоянному току имеет вид

Uкэ = EкIк (Rк +Rэ).

На этой линии находится точка покоя П (рис.1.3, б), которой соответствует точка покоя П на входной характеристике (рис.1.3, а).

Величина тока покоя базы I, соответствующего этой точке находится из оче­видного соотношения Iоб = I/β. Для выбранного транзистора ток покоя базы I находится по выходной характеристике транзистора.

Г. Выбирается сквозной ток делителя напряжения. Для обеспечения необходимой стабильности работы усилительного каскада задаются достаточно большим значением сквозного тока через сопротивления делителя R1, R2 - на порядок превышающим значение тока покоя базы:

Iд 10 I,

где Iд - сквозной ток делителя напряжения.

Величина резистора R2 определяется из соотношения

,

где U0эб- напряжение между эмиттером и базой транзистора в режиме покоя, определяется по входной характе­ристике для известного значения I.

По резистору R1 кроме тока Iд протекает ток базы транзистора, поэтому

Д. Строится линия нагрузки каскада по переменному току. Для определения переменных составляющих выходного напря­жения каскада и коллекторного тока используют линию нагрузки каскада по переменному току. При этом следует учесть, что сопротив­ление Rэ зашунтировано конденсатором Сэ, сопротивление которого переменному току практически равно нулю, так же как и сопротив­ление конденсатора С2, соединяющее нагрузку Rн с коллектором. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания Ек переменному току также близко к нулю, то окажется, что сопротив­ление каскада по переменному току определяется сопротивлениями Rк и Rн, включенными параллельно

,

т.е. меньше, чем сопротивление каскада постоянному току, равному R = Rк + Rэ.

Линия нагрузки по переменному току обязательно должна пройти через точку покоя. Это можно объяснить так: если посте­пенно уменьшать амплитуду переменного входного сигнала, то в конце концов мы окажемся в точке покоя П (рис. 1.3, б). Вторую точку линии нагрузки по переменному току можно найти, задав прираще­ние тока коллектора ∆Iк и определив соответствующее ему прираще­ние напряжения коллектор-эмиттер.

Для того, чтобы эта точка находилась на оси абсцисс, принимаем ∆Iк = I.

Следовательно, вторая точка будет находиться на оси абсцисс на расстоянии ΔUкэ вправо от точки покоя U0кэ.

Линия, проведенная через эти две точки, и будет являться линией нагрузки каскада по переменному току.

При поступлении на вход каскада переменного напряжения uвх (см. рис.1.3, а) в базовой цепи транзистора создается перемен­ная составляющая тока базы iб, связанная с напряжением ивх вход­ной характеристикой. Так как ток коллектора связан с током базы пропорциональной зависимостью iк = βiб, то в коллек­торной цепи транзистора создаются переменная составляющая тока коллектора iк (рис. 3.1, б) и переменное выходное напряжение uвых, связанное с током iк линией нагрузки по переменному току. Линия нагрузки по переменному току показывает как перемещается рабо­чая точка (iк, uк) при изменении мгновенных значений переменного коллекторного тока.

Е. Рассчитываются коэффициенты усиления, входные и выходные сопротивления каскада. Важными показателями каскада являются его коэффициенты усиления по току КI, напряжению КU, мощности КP, а также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления. Эти показатели определяются путем расчета усилительного каскада по переменному току. С этой целью составляется схема замещения усилительного каскада по переменному току. На рис. 1.4. представлена схема замещения каскада, в которой транзистор представлен его схемой замещения в h-параметрах. На схеме замещения обозначены: Ег и Rг – напряжение и внутреннее сопротивление источника сигнала переменного тока.

Рис. 1.4 – Схема замещения усилительного

каскада с ОЭ в h-параметрах

Расчет каскада производится в области средних частот, в кото­рой зависимость параметров от частоты не учитывается, а сопротивления конденсаторов в схеме рис.1.3 равны нулю и в схеме рис. 1.4 не показаны. По переменному току сопротивление источника пи­тания равно нулю, поэтому верхние концы резисторов R1 и R2 на схеме замещения связаны с выводом эмиттера. Входной сигнал счи­тается синусоидальным. Токи и напряжения в схеме оцениваются их действующими значениями.

Входное сопротивление каскада Rbx равно сопротивлению па­раллельно соединенных резисторов R1 R2 и сопротивления rвx = h11 входной цепи (rэб) транзистора.

Rвx = R1|| R2 || rвх

Входное сопротивление транзистора rвх определяется по вход­ной характеристике транзистора рис. 1.5 как дифференциальное сопротивление rэб транзистора в точке покоя П при токе базы рав­ном I. Собственное входное сопротивление транзисто­ра в рабочей точке покоя определяется по входной характеристике как отношение при­ращения UЭБ к приращению тока базы Iб. Способ определения сопротивления показан на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Пример определения входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Выходное сопротивление каскада определяют относительно его выходных зажимов

Rвых = Rк || rкэ,

где выходное (коллекторное) сопротивление транзистора rкэ= 1/h22 >> Rк, поэтому можно считать, что Rвых = Rк.

Коэффициент усиления каскада по току равен отношению тока нагрузки к входному току КI = Iн /Iвх. Выразим ток Iн через Iвх. Для этого вначале определим ток базы транзистора Iб через Iвх

Iб =IвхRвх/rвх

Ток нагрузки Iн связан с током коллектора транзистора Iк соот­ношением

С учетом связи между токами базы и коллектора транзистора Iк = βIб, находим ток, протекающий через нагрузку

Окончательно находим коэффициент усиления каскада по току

Из формулы видно, что KI пропорционален коэффициенту усиления транзистора β и зависит от шунтирующего действия входного делителя R1, R2 и соотношения Rк и Rн.

Коэффициент усиления каскада по напряжению Кu = Uвых/Uвх можно найти, выразив входные и выходные напряжения через вход­ные и выходные токи и входные и выходные сопротивления

И. Рассчитывается значение коэффициента нестабильности кас­када.

где S - коэффициент нестабильности каскада;

- эквивалентное сопротивление базы транзистора, равное параллельному соединению сопро­тивлений входного делителя;

β 0 – коэффициент усиления транзистора по посто­янному току в точке покоя, определяемый как отношение тока покоя коллектора I к току покоя базы I: β 0 = I I.

Обычно считают, что если S [35], нестабильность усили­тельного каскада по постоянному току удовлетворительная.

Очевидно, что для уменьшения S нужно увеличивать прини­маемый ток делителя и наоборот. Кроме того, указанную вели­чину в определенных пределах можно изменять и за счет вели­чины сопротивления в цепи эмиттера. Однако при этом следует стремиться к тому, чтобы RЭ R.

К. Определяются емкости С1, С2, СЗ усилительного каскада. Величины емкостей конденсаторов С1 и С2 выбирают с таким расчетом, чтобы их реактивная емкость не вносила затухания в по­лезный сигнал, проходящий через них соответственно от источника сигнала на вход каскада и с выхода каскада к нагрузке.

Следовательно основой для выбора номинальных значений входной емкости С1, выходной С2 и емкости Сэ, шунтирующей сопротивление в цепи эмиттера, являются неравенства

xСвх << Rвх ; xСвых << RН ; xСэ << RЭ.

на заданной частоте усиливаемого сигнала переменного тока f. Можно принять, что емкостные сопротивления на частоте f со­ставляют 10 % от соответствующих активных сопротивлений.