Розрахунок каскаду транзисторного підсилювача напруги низької частоти з реостатно-ємнісним зв’язком.

Послідовність розрахунку наводиться для транзистора, включеного за схемою із спільним емітером (СЕ).

Вихідні дані:

1) максимальна напруга на виході каскаду U_вих.max (максимальна напруга на навантаженні);

2) опір навантаження R_н;

3) нижня гранична частота f_н;

4) допустимі значення коефіцієнта частотних викривлень каскаду в області нижніх частот М_н;

5) напруга джерела живлення U_жив.

Зауваження. Вважати, що каскад працює в стаціонарних умовах (T_min = +15°С; Т_max = +25°С). При розрахунку впливом температури на режим транзистора нехтуємо.

Визначити:

1) тип транзистора;

2) режим роботи транзистора;

3) опір колекторного навантаження R_к;

4) опір в колі емітера R_e;

5) опори дільника напруги R₁ i R₂, який стабілізує режим роботи транзистора;

6) ємність роздільного конденсатора С_р;

7) ємність конденсатора в колі емітера С_е;

8) коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі K_U.

Порядок розрахунку.

1. Обирається тип транзистора, керуючись такими міркуваннями:

а) U_{ке. доп} ≥ (1,1÷1,3) U_жив, де U_{ке. доп} – найбільша допустима напруга між колектором і емітером, наводиться в довідниках;

б) І_к доп > 2І_н.m = 2U_вих.m /R_н, де I_н.m – найбільша можлива амплітуда струму навантаження; І_к доп – найбільший допустимий струм колектора, наводиться в довідниках.

Зауваження:

1) Заданому діапазону температур задовольняє будь-який транзистор.

2) Для обраного типу транзистора виписати з довідника значення коефіцієнтів підсилення за струмом для СЕ β_min і β_max. В деяких довідниках наводиться коефіцієнт підсилення за струмом α для схеми СБ і початковий струм колектора І_к.п. Тоді β = α / (1– α) (при виборі режиму роботи транзистора необхідно виконувати умову І_к.min ≥ І_к.п).

3) Для каскадів підсилювачів напруги звичайно застосовують малопотужні транзистори типу ГТ-108, ГТ-109, МП-20, МП-21, МП-25, МП-40, МП-41, МП-42, МП-111, МП-113 та ін.

2 . Режим роботи транзистора визначається по навантажувальній прямій, побудованій на сімействі вихідних статичних (колекторних) характеристик для СЕ. Побудова навантажувальній прямої показана на вихідних характеристиках транзистора.

Навантажувальна пряма 1­­­–4 будується по двом точкам: т. 0 – точка спокою (робоча) і т. 1, яка визначається величиною напруги джерела живлення U_жив. Координатами т. 0 є струм спокою І_к0 і напруга U_ке0 (тобто струм і напруга, що відповідають U_вх = 0).

Можна прийняти І_к0 = (1,05÷1,2)·І_вих ≈ (1,05÷1,2)І_н.m.

Напруга спокою U_ке0 = U_вих.m + U_ост = U_к.m + U_ост,

де U_ост – найменша допустима напруга U_ке. При U_ке < U_ост виникають значні нелінійні викривлення, оскільки в робочу зону попадають ділянки характеристики, які мають велику кривизну. Для малопотужних транзисторів можна прийняти U_ост = 0,5÷1,0 В.

3. Визначається величина опорів R_к i R_e.

По вихідним характеристикам визначаємо R_заг = R_к + R_e – загальний опір в колі емітер–колектор R_заг = U_жив /I, де I – струм, що визначається т. 4, тобто точкою перетину навантажувальної прямої із віссю струмів.

Приймаючи R_е = (0,15÷0,25)R_к, отримаємо

R_к = R_заг /(1,15÷1,25); R_e = R_заг – R_к.

4. Визначаються найбільші амплітудні значення вхідного сигналу струму І_вх.max і напруги U_вх.max, необхідні для забезпечення заданого значення U_вих.max. Задавшись найменшим значенням коефіцієнта підсилення транзистора за струмом β_min, отримаємо І_вх.max = I_б.max = I_к.max / β_min, причому І_вх.max не повинно перевищувати величини , де для малопотужних транзисторів І'_б.max ≈ 1÷2 мА, І'_б.min ≈ 0,05 мА.

По вхідній статичній характеристиці для схеми СЕ і знайденим значениям І_б.m  і І_б.min знаходять величину 2U_вх.m.

5. Визначається вхідний опір R_вх каскаду змінному струму (без врахування дільника напруги R₁ i R₂):

6. Визначаються опори дільника R₁ i R₂. Для зменшення шунтуючої дії дільника на вхідне коло

каскаду по змінному струму приймають R_1–2 ≥ (8÷12)R_вх^≈, де R_1–2 = R₁·R₂ /(R₁ + R₂). Тоді:

7. Визначається коефіцієнт нестабільності роботе каскаду: , де β_max – найбільш можливий коефіцієнт підсилення за струмом вибраного типу транзистора.

Для нормальної роботи каскаду коефіцієнт нестабільності S не повинен перевищувати кількох десятків одиниць.

8. Визначається ємність роздільного конденсатора С_р:

, де R_вих.т – вихідний опір транзистора, що визначається за вихідними статичним характеристикам для схеми СЕ. В більшості випадків R_вих.т ≥ R_к, тому можна прийняти R_вих ≈ R_к + R_н.

9. Визначається ємність конденсатора .

10. Визначається коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:

.

Наведений порядок розрахунку не враховує вимоги на стабільність роботи каскаду.

Приклад. Розрахувати каскад транзисторного підсилювача напруги для схеми з спільним емітером (див. наведену схему):

U_вих.m = 4 В; R_н = 500 Ом; f_н = 100 Гц; М_н = 1,2; U_жив = 12 В.

Розрахунок.

1. а) U_{ке. доп} ≥ 1,2·U_жив = 1,2·12 = 14,4 В;

б) І_к доп > 2І_н.m = 2·U_вих.m /R_н = 2·4/500 = 0,016 А = 16 мА.

Вибираємо транзистор МП-42А, для якого І_к доп = 30 мА, U_{ке. доп} = 15 В, β_min = 30, β_max = 50, І_{к.min доп} = 25 мкА.

2. Для побудови навантажувальної прямої знаходимо (робочу) точку спокою (точка 0), для цього визначаємо

І_к0 = 1,2·І_н.m = 1,2·8 = 9,6 мА;

U_ке0 = U_вих.m + U_ост = 4 + 1 = 5 В.

Друга точка (точка 1) навантажувальної прямої U_ке = U_жив = 12 В, І_к = 0.

По отриманим величинам будується навантажувальна пряма.

3. На статичних вихідних характеристиках по навантажувальній прямій знаходимо І = 16,5 мА, звідки

R_заг = U_жив /I = 12/(16,5·10^–3) = 727 Ом.

Отже,

R_к = R_заг /1,2 = 727/1,2 = 606 Ом;. R_e = R_заг – R_к = 727 – 606 = 121 Ом.

4. Найменший коефіцієнт підсилення за струмом (для схеми СЕ) для транзистора МП42А β_min = 30. Тоді з навантажувальної прямої (при U_ост = 1 В) I_к.max = 15 мА і:

І_вх.max = І_б.max = I_к.max / β_min = 15/30 = 0,5 мА,

що не перевищує величини

Амплітуда вхідного струму І_{б m} = (I_б.max – І'_б.min) / 2 = (0,5 – 0,05) / 2 = 0,225 мА.

За вхідною статичною характеристикою (для схеми СЕ):

U_бе.min = 0,11 В; U_бе.max = 0,33 В

2·U_вх.m = U_бе.max – U_бе.min = 0,33 – 0,11 = 0,22 В.

5. Знаходимо вхідний опір транзистора змінному струму:

6. Для визначення R₁ і R₂ знаходимо R_1–2 ≥ 8R^≈_вх = 8·489 ≈ 4000 Ом. Звідки:

7. Визначаємо, чи буде схема достатньо стабільна

Отже, робота розрахованого каскаду достатньо стабільна.

8. Визначаємо ємність С_р:

Приймаємо С_р = 3,0 мкФ.

9. Визначаємо ємність С_е

Для повного усунення від’ємного зворотного зв’язку необхідно включити С_е > 132 мкФ. Ця ємність занадто велика. Звичайно використовують С_е = (10÷30) мкФ. Приймаємо С_е = 20 мкФ.

10. Коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі буде дорівнювати

К_U = U_вих.m / U_вх.m = 4/0,11 = 36,4.