3.2 Расчет предоконечного каскада

Рассмотрим вариант предоконечного каскада с ОК (ЭП) и непосредственной межкаскадной связью (рисунок 3.3).

Рисунок 3.4 – Каскод ОК-ОЭ

Резистор R_э1 расчитывается из условия обеспечения режима транзистора VT2. Роль тока делителя здесь играет ток покоя транзистора VT1.

3.2.1 Выбор транзистора.

Транзистор выберем согласно методике изложенной в пункте 3.1.1. Примем, что на каскад с ОК приходится половина искажения формы импульса всего усилителя, за исключением вносимого оконечным каскадом:

.

Тогда согласно (3.1.1)

,

то есть f_т транзистора должна быть

.

На выходе должно быть напряжение

,

а ток

.

По справочнику [2] находим, что этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ340А, который имеет следующие параметры:

• граничная частота транзистора f_Т=300 Мгц;

• статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ h₂₁=100300;

• емкость коллекторного перехода С_к=3,7 пФ при напряжении на коллекторе U_к=5 В;

• постоянная времени цепи ОС на высокой частоте _к=60 пс;

• максимальный ток коллектора I_кmax=50 мА;

• максимальное напряжение коллектор – эмиттер U_кэmax=15 В;

• обратный ток коллектора I_кобр=1мкА (при Т_с=+25С), I_кобр=10мкА (при Т_с=85С);

• максимальная мощность рассеиваемая на коллекторе Р_кmax=150 мВт.

3.2.2 Расчет режима транзистора.

Как уже было сказано, ток покоя коллектора транзистора VT1 необходимо выбирать из условия обеспечения режима транзистора VT2:

.

Напряжение на сопротивлении R_э1 должно составлять:

,

тогда:

.

По входным и выходным статическим характеристикам транзистора КТ340А (рисунок 3.4) определим рабочую точку в цепи базы.

Рисунок 3.5 – Входная и выходная статические характеристики транзистора КТ340А

Рабочая точка транзистора предоконечного каскада имеет следующие значения напряжения и тока:

U_к0=3 В; I_к0=10 мА; U_б0=0,62 В; I_б0=0,015 мА.

Для транзистора КТ340А также выполняются соотношения по максимальной мощности рассеиваемой на коллекторе и максимального напряжения на коллекторе:

,

.

3.2.3 Расчет параметров каскада

Эмиттерный повторитель представляет собой каскад с глубокой последовательной ООС по напряжению. Поэтому расчет необходимо вести с учетом этих особенностей. Эквивалентное сопротивление нагрузки определяется по формуле:

, (3.2.1)

где R_вх – входное сопротивление оконечного каскада, в отсутствии базового делителя. Глубина последовательной ООС по напряжению:

. (3.2.2)

Далее проводим расчет по методике изложенной в пункте 3.1.3, а параметры каскада с ОК определяем по формулам:

, (3.2.3)

, (3.2.4)

, (3.2.5)

. (3.2.6)

Сопротивление R_э1 определим из формулы:

.

Выберем по стандартной шкале ближайший номинал: R_э1=560 Ом. По формуле (3.2.1) определяем величину эквивалентного сопротивления нагрузки:

.

Воспользовавшись соотношениями (3.1.4)-(3.1.7) получим:

,

,

,

.

Теперь можно найти глубину ООС по формуле (3.2.2):

.

Расчет ВЧ параметров производим по (3.1.8)-(3.1.10):

,

,

.

И далее находим параметры ЭП по (3.2.3)-(3.2.6). Величина емкости нагрузки равна входной динамической емкости оконечного каскада (С_н=582 пФ):

,

,

,

,

время установления определим по формуле (3.1.11):

.

3.2.4 Расчет цепей питания и термостабилизации оконечного и предоконечного каскадов

Чтобы лучше изложить методику расчета, целесообразней начать с предоконечного каскада (ЭП), так как расчет оконечного каскада имеет определенные тонкости.

Определим потенциал базы транзистора VT1 относительно земли:

. (3.2.7)

Зададимся током делителя, образованного резисторами R_б1 и R_б2:

. (3.2.8)

Определяем величины резисторов R_э1, R_б1 и R_б2:

, (3.2.9)

, (3.2.10)

, (3.2.11)

Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданном диапазоне температур окружающей среды. Находим тепловое сопротивление «переход-среда» и мощность, рассеиваемую на коллекторном переходе в статическом режиме:

, (3.2.12)

. (3.2.13)

Определим температуру коллекторного перехода и разность между этой температурой и справочным значением:

, (3.2.14)

, (3.2.15)

Определим приращение тока коллектора, вызванного тепловым смещением проходных характеристик:

, (3.2.16)

где U_бТ – приращение напряжения U_б0, равное

, (3.2.17)

где _Т – температурный коэффициент напряжения(ТКН), _Т-3мВ/град.

Далее определяем приращение тока коллектора I_к02, вызванное изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора I_кобр:

(3.2.18)

где приращение обратного тока I_кобр равно

, (3.2.19)

где  - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов =0,13.

Следует заметить, что значение I_кобр приведенное в справочнике представляет собой сумму пассивной и активной составляющих. А так как пассивная составляющая не зависит от температуры, то она нас и не интересует. Если значение обратного тока в справочнике приводится при двух температурах, то активную составляющую можно найти из системы:

.

Исключаем пассивную составляющую I_п:

. (3.2.20)

Приращение коллекторного тока, вызванного изменением параметра h₂₁, определяется соотношением:

, (3.2.21)

где h₂₁=k_Th₂₁T, k_T=0,005 отн.ед/град.

Учет влияния параметров схемы термостабилизации осуществляется через коэффициенты термостабилизации, которые для схемы эмиттерной термостабилизации равны:

, (3.2.22)

, (3.2.23)

где R₁₂ – параллельное соединение резисторов R_б1 и R_б2 (определяется по формуле (3.1.14)). Тогда общий уход коллекторного тока транзистора с учетом действия схемы термостабилизации определяется выражением:

. (3.2.24)

Коэффициент относительной нестабильности коллекторного тока равен

. (3.2.25)

Для оконечного каскада коэффициент нестабильности считается приемлемым, если при максимальном отклонении режима на выходе транзистора обеспечиваются заданные значения тока и напряжения. Для остальных каскадов достаточно, если k_стаб10%.

Выполним подстановку в выражения (3.2.27)-(3.2.25):

;

;

;

;

.

Выберем из ряда номиналов резисторов с допуском 10% ближайшие к полученным значениям: R_э1=560 Ом, R_б1=2,7 кОм, R_б2=8,2 кОм.

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Перейдем к расчету термостабилизации оконечного каскада. Особенность заключается в том, что роль базового делителя для него играет транзистор VT1 и сопротивление R_э1. Сопротивление R_б1 будет равно сопротивлению транзистора VT1 со стороны эмиттера, то есть обратно пропорционально крутизне:

;

Тогда

.

Сопротивление в цепи эмиттера найдем по формуле (3.2.9):

.

Выберем ближайший номинал R_э2=33(Ом). Тепловое сопротивление «переход-среда» для транзистора КТ603Д приводится в справочнике R_Т=0,2 С/мВт.

Дальнейший расчет проведем по формулам (3.2.13)-(3.2.25):

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Предоконечный каскад работает в малосигнальном режиме, поэтому приемлемым считается уход меньше 10%, что выполняется. Для оконечного каскада, который работает в режиме большого сигнала, проведем оценку работоспособности при таком уходе тока (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – К оценке термостабилизации оконечного каскада

Значение напряжения рабочей точки при уходе тока вверх

,

значение напряжения при уменьшении тока

.

Из графика видно, что в любом случае на выходе каскада обеспечивается импульс тока при размахе 26 мА в одну сторону и на 42 мА в другую (полярность импульса значения не имеет). По напряжению в любом случае обеспечивается даже импульс с амплитудой 1,2 В в обе стороны. То есть каскад термостабилизирован.