4.6. Графоаналітичний метод аналізу та розрахунку транзисторних схем

Для дослідження радіоелектронних транзисторних схем використовують класичні методи розрахунків електричних схем. До складу таких схем входять конденсатори, котушки індуктивності, резистори, керовані генератори напруги та струму. Це стало можливим, відколи були розроблені електричні моделі БТ. Основна задача моделювання – це визначення зв'язку між фізичними параметрами й електричними характеристиками БТ. Для цього транзистор зображають еквівалентними схемами (схемами заміщення), створених з простих елементів електричних схем.

Радіоелектронні схеми створюються паралельним і послідовним з’єднанням простих функціональних вузлів (каскадів). Для того, щоб оцінити вплив каскадів один на одного, а також можливості підсилення струму, напруги і потужності використовують ряд параметрів та коефіцієнтів: вхідний опір R_ВХ, вихідний опір R_ВИХ , коефіцієнти підсилення за струмом G_I, напругу G_U і потужність G_P. Оцінюючи вхідні і вихідні опори каскадів, треба пам'ятати, що при послідовному їх вмиканні вхідний опір каскаду повинен бути в 8 - 10 разів більшим від вихідного опору попереднього функціонального вузла. Лише за таких умов з'єднання цих каскадів не призведе до порушень режиму роботи і спотворення інформаційного сигналу. Звідси випливає важлива вимога до каскадів: вони повинні мати якомога більший вхідний опір та якомога менший вихідний опір.

Класичні методи аналізу і розрахунків електричних схем поділяють на два класи: лінійні і нелінійні. При виборі одного із цих методів треба впевнитися чи є у конкретному випадку транзистор лінійним елементом. Достатнім критерієм може бути відносна довжина ділянки характеристик транзистора, в межах якої зміщується робоча точка при підсиленні інформаційного сигналу. У режимі малих амплітуд вхідного сигналу (в каскадах попереднього підсилення) робоча точка зміщується по незначній ділянці характеристики. Ця ділянка може бути представлена як прямолінійна, і тоді транзистор з допустимими похибками розглядається як лінійний елемент, а відтак доцільно використовувати лінійні методи.

У режимі великих амплітуд вхідного сигналу (в кінцевих підсилювачах потужності) робоча точка транзистора зміщується майже по всій характеристиці транзистора, яка є нелінійною. Транзистор у такому режимі розглядають як нелінійний елемент, а для аналізу і розрахунку використовують нелінійні методи.

Тоді транзистори зображають за допомогою нелінійної моделі і використовують нелінійні методи аналізу і розрахунків. Одним із таких методів є графоаналітичний метод, за яким можна розраховувати транзисторні схеми за постійним і змінним струмами. Розрахунок за постійним струмом дозволяє визначати елементи схеми, які забезпечують необхідний режим роботи транзистора, тобто необхідні початкові напруги на виводах транзистора. Розрахунок за змінним струмом дає значення параметрів каскаду як однієї з ланок передачі інформаційного сигналу (R_ВХ, R_ВИХ, G_І, G_U, G_Р).

Розглянемо реалізацію графоаналітичного методу на прикладі розрахунку транзисторного підсилювача за схемою із СЕ (див. рис.4.9). Будемо вважати, що виконується умова R_н >> R_ВИХ, а тому в подальших розрахунках впливом R_н знехтуємо.

Вхідні дані: тип транзистора, напруга джерела живлення Е_С, полярність вхідного сигналу (біполярний, гармонічний та імпульсний однополярний, позитивний).

Необхідно: визначити робочу область для заданого типу транзистора; розрахувати значення опору резистора в колі колектора R_С; визначити координати робочої точки І_0В,U_0ВЕ, І_0С, U_0СЕ при передачі гармонічного та імпульсного сигналів; розрахувати значення опорів резисторів подільників напруги R1, R2; визначити вхідний та вихідний опори каскаду і коефіцієнти підсилення за напругою, струмом, потужністю (G_U, G_І, G_Р), а також ККД колекторного кола 

Розрахунок транзисторного каскаду виконаємо в такій послідовності:

1. Користуючись довідником з напівпровідникових приладів для заданого типу транзистора, беремо сім’ю вхідних (рис.4.12) і вихідних (рис.4.13) характеристик, а також експлуатаційні і гранично допустимі параметри (допустимий струм колектора І_СДОП, допустиму потужність розсіювання транзистора Р_С.max, допустиму напругу колектор-емітера U_СЕmaх ).

2. На сім’ї вихідних статичних характеристик визначаємо робочу область. Зверху ця область обмежується максимально допустимими струмом колектора І_Сmax і потужністю розсіювання колектора Р_Cmax. У довідниках вказано, що на сім’ю вихідних характеристик наноситься парабола, що визначає Р_Сmax. Якщо ж її немає, то необхідно розрахувати і нанести на характеристики цю криву самостійно. Користуючись значенням Р_C для заданого транзистора, довільно вибираємо три-чотири значення струму колектора І_C від нуля до І_Cmax і розраховуємо відповідні значення напруги U_CE за формулою:

U_CE = Р_Cmax / І_C.

Праворуч робоча область обмежується максимально допустимою напругою U_CEmax, ліворуч – малими значеннями напруги на колекторі U_CEsat, коли ця напруга стає меншою за напругу бази і транзистор переходить в режим насичення. На вихідних характеристиках ця область вирізняється їхнім різким спадом. Знизу робочу область обмежуємо, щоб запобігти значним нелінійним спотворенням, спричиненими великою нелінійністю початкового відрізка вхідних характеристик. На цих характеристиках визначаємо І_Bmin (рис.4.12), а потім цей рівень фіксуємо на сім’ї вихідних характеристик (рис.4.13).

3. Будуємо лінію навантаження. Графоаналітичний метод, як і в схемах з діодами, дозволяє розрахувати спільні струми і напруги при з'єднанні лінійної і нелінійної схем. Лінійна схема у цьому випадку утворюється джерелом живлення і резистором R_C, нелінійна - представлена безпосередньо транзистором. Графоаналітичний метод грунтується на тому, що пошук необхідних струмів і напруг здійснюється побудовою ВАХ згаданих схем та фіксацією точок їхнього перетину. Ці точки визначають збіжні струми і напруги.

Нелінійна схема – транзистор, представлена сім’єю вхідних і вихідних характеристик. Напругу на виході U_CE і струм в лінійній схемі І_C (див.рис.4.11) визначаємо співвідношенням:

U_CE = Е_C – І_CR_C. (4.6.)

Рівняння (4.6) вказує і на те, що на відміну від статичного режиму, коли U_СЕ = сonst, у підсилювачі при включені резистора R_С зміна колекторного струму змінює також напругу на колекторі. У деякій літературі з електронних приладів цей режим на противагу статичному помилково називають динамічним режимом. Таким режимом в подальшому будемо вважати режим роботи транзистора з інформаційними си- гналами високої частоти, коли необхідно враховувати процеси накопичення і розосередження носіїв зарядів. Рівняння 4.6 відображає зв`язок між вихідною напругою та вихідним струмом, а значить – вхідним струмом. Йому відповідає пряма лінія, її положення визначається навантаженням в колі колектора, а тому її називають лінією навантаження. Вона проходить через дві точки з координатами: якщо I'_С = 0 то U'_СЕ = Е_С і якщо U_СЕ = 0, то І'_Сmax = E_С /R_С .

Нахил лінії навантаження визначається значенням R_С і дуже впли­ває на параметри підсилювача. При виборі резистора R_С в підсилювачах потужності необхідно забезпечити максимально можливе значення як G_І, так і G_U при мінімальних нелінійних спотвореннях.

Останнього досягають вибором такого значення R_С, щоб відрізки 1-2, 2-3, 3-4 і 4-5 були однаковими (рис. 4.13) при рівних ступенях зростання струму бази, тобто за умови:

I_В2 – I_В1 = I_В3 – I_В2 = I_В4 – I_В3 і т.д.

У підсилювачах струму забезпечуємо максимально можливий струм, максимальне значення тобто найбільшу амплітуду струму колектора. Для цього зменшуємо опір резистора R_С і тоді лінія навантаження наближається до вертикальної, відповідно для збільшення G_U збільшуємо опір резистора R_С. При цьому необхідно забезпечити умови, за яких рoбочий відтинок лінії навантаження буде знаходитись в межах робочої області.

Після вибору R_С визначаємо І ^'_С і проводимо лінію навантаження, фіксуючи точки 1, 2, 3, 4, 5 перетину характеристик і відповідні їм значення струмів колектора І_С та напруг U_СЕ (рис.4.13).

4. Побудуємо вхідну динамічну характеристику. У довідниках з транзисторів сім'я вхідних характеристик представлена двома ВАХ для двох значень напруг колектора, в межах яких відбувається модуляція товщини бази U ^'_CE та U``<sub>CE</sub> (рис.4.12,б). У схемі із СЕ при зменшенні напруги U<sub>СЕ</sub> вхідна характеристика зміщується ліворуч. Завдяки наявності резистора R<sub>С</sub> при збільшенні струму бази зростає струм колектора, а напруга U<sub>СЕ</sub> падає. Щоб все це врахувати, необхідно побудувати вхідну динамічну характеристику. Оскільки точки 1,2,3,4,5 (рис.4.13,б) відповідають струмам бази I<sub>В1</sub>, I<sub>B2,</sub> I<sub>B3,</sub> I<sub>B4,</sub> I<sub>В5</sub>, фіксуємо ці струми на вхідних характеристиках і проводимо горизонтальні лінії до перетину з вихідними статистичними характеристиками поки напруга U<sub>СЕ</sub> > U <sup>״</sup><sub>СЕ</sub> як відрізок вхідної динамічної характеристики використовується відрізок вхідної статичної характеристики, взятої з довідника для транзисторів для U <sup>״</sup><sub>СЕ</sub> (рис. 4.12, відрізок 1...3). У точках 4 і 5 U<sub>СЕ</sub> < U <sup>״</sup><sub>СЕ</sub>, тому ці точки пропорційно зміщуються вбік U <sup>״</sup><sub>СЕ</sub> = 0. Ефект модуляції товщини бази має нелінійний характер, тому не слід відрізок між U`<sub>СЕ</sub> і U``_СЕ розбивати на рівні часини. Крутість динамічної вхідної характеристики зростає, але ніколи U_ВЕ5 (напруга точки) не може бути меншою ніж U_ВЕ4 (напруга попередньої точки). На вхідній динамічній характеристиці фіксують точки 1,2,3,4,5.

5. Вибираємо початкове положення робочої точки. У транзисторних схемах, змінюючи параметр сім'ї вихідних характеристик (у даному випадку змінюючи струм І_В), робочу точку зміщуємо по лінії навантаження в точки 1,2,3,4,5. По­ложення робочої точки, що визначається джерелом зміщення (початкове положення при відсутності вхідного змінного сигналу), називають точкою спокою. Вибирають цю точку за видом і полярністю вхідного інформаційного сигналу, типом транзистора (n-p-n або p-n-p) та схемою його вмикання (схемами із СЕ, СБ, СК).

При підсиленні гармонічного сигналу точка спокою повинна знаходитися на середині лінійної ділянки вхідної динамічної характеристики (див. рис. 4.12 і 4.13, точка 3). Цим забезпечується проходження струму бази і колектора як в позитивний, так і в негативний напівперіод гармонічного сигналу. Такий режим називають режимом підсилення "А". Ці ж вимоги пред'являються до положення робочої точки при підсиленні імпульсних сигналів як позитивної, так і негативної полярностей. Це стосується всіх схем вмикання при використанні обох типів транзисторів. Координати початкової робочої точки (точки спокою): І_В3, U_ВЕ3; І_С3; U_СЕ3. Такий режим транзистора забезпечується за допомогою подільника напруги R1-R2. Для визначення цих опорів необхідно встановити струм подільника І_ПОД, який повинен бути значно більшим за струм І_0В=І_В3. Зазвичай беруть І_ПОД 8…10)І_0.В, R₁=U_0.ВЕ/І_ПОД, R₂ = ( Е_С- -U_0.ВЕ)/І_ПОД Е_С /І_ПОД.

При підсиленні імпульсного сигналу позитивної полярності при виборі точки спокою необхідно враховувати тип транзистора та схему його вмикання. У цьому випадку слід дотримуватися такого правила: якщо вхідний сигнал сприяє відкриванню емітерного переходу, то в початковому стані транзистор повинен знаходитись в режимі відсікання або близькому до нього режимі (в точці 1 або ще нижче). Тоді інформаційний сигнал достатньої амплітуди буде переводити транзистор в режим насичення, а на виході формується сигнал з амплітудою, яка майже дорівнює напрузі джерела живлення (U_mCE=E_c). Якщо точка спокою лежить на середині ВАХ, максимальна амплітуда гармонічного і імпульсного сигналів на виході не перевищує рівень Е_С / 2.

Коли полярність вхідного сигналу є зворотною для емітерного переходу, то початковий стан транзистора має відповідати режиму насичення (точка 5). Тоді на виході схеми можна сформувати сигнал з амплітудою, яка дорівнює напрузі джерела живлення Е_С.

Як приклад розглянемо випадок, коли на вхід схеми із СЕ на транзисторі типу п-р-п (рис.4.9) подається позитивний імпульсний сигнал. Джерело вхідного сигналу плюсом підключено до р-бази, а мінусом – до n-емітера, тобто інформаційний сигнал відкриває емітерний перехід. Тому в початковому стані транзистор повинен бути закритим (находитись у режимі відсікання).

Цьому режиму відповідає точка 1 на рис.4.12. Її координати – І_В1 і U_ВЕ1. Цей режим забезпечується подільником R1 - R2.

У початковому стані струм колектора малий І_С1, спад напруги на R_С незначний, а отже, напруга U_СЕ1 досягає максимального значення – майже Е_С (рис.4.12, 4.13).

При подачі позитивного імпульсного сигналу залежно від його амплітуди робоча точка по лінії навантаження зміщується в положення 2, 3, 4 і 5. При цьому струм бази збільшується до значення І_В5, відповідно струм колектора – до І_С5. Через великий спад напруги на резисторі R_С напруга U_СЕ зменшується до значення U_СЕ5 (рис.4.12, 4.13). Для деяких транзисторів при малих струмах напруга U_СЕ в режимі насичення (U_{CE sat} - залишкова напруга) зменшується майже до нуля.

Осцилограми, зображені на рис.4.14, ілюструють важливу властивість транзисторного підсилювача сигналів за схемою із СЕ, а саме: така схема змінює полярність сигналу – інвертує сигнал (рис.4.14, б), тобто вносить постійний зсув за фазою на 180⁰ (рис.4.14, а). Якщо на вхід поступає послідовність позитивних імпульсів, то на виході формується послідовність негативних імпульсів.

6. Аналіз, осцилограм струмів і напруг, побудова лінії навантаження та вхідної динамічної характеристики дозволяють розрахувати основні параметри підсилювача. Визначаємо коефіцієнти підсилення G_I, G_U, G_P, значення вхідного та вихідного опорів транзисторного каскаду.