3.1.6. Расчет транзисторного резисторного каскада

Расчет транзисторного резисторного каскада предварительного усиления начинают с выбора принципиальной схемы каскада, удовлетворяющей предъявленным к каскаду требованиям, и выбора рода транзистора (биполярный или полевой), а также характера его проводимости (р-n-р или n-р-n, р-канал или n-канал). При этом решают вопрос о выборе схемы стабилизации рабочей точки, о необходимости введения в каскад развязывающего фильтра и т. д. Если используется биполярный транзистор, то выбирают материал полупроводника (германий или кремний). Германиевые транзисторы не следует применять в новых разработках, а также при большом диапазоне изменения температуры (Т_тах— Т_тп>50^cC). В новых разработках рекомендуется использовать только кремниевые транзисторы. Для того чтобы каскад не вносил больших частотных искажений на верхней рабочей частоте f_B, предельная частота усиления тока f_T, используемого в каскаде транзистора, а также транзистора следующего каскада должна быть не ниже (1—3)f_вh_21эср, а для каскада усиления импульсных сигналов — не ниже (0,1—0,3) h_21эср/t_y

Полевые транзисторы используют при необходимости получения очень высокого входного сопротивления каскада (выше десятков килоом) или для обеспечения наименьшего уровня собственных шумов каскада. Однако не следует забывать, что вследствие малой крутизны характеристики полевой транзистор дает хорошее усиление только при работе на следующий каскад с достаточно большим входным сопротивлением (не ниже нескольких килоом).

В каскадах предварительного усиления звуковых частот применяют маломощные низкочастотные транзисторы, в широкополосных каскадах — маломощные высокочастотные. Ток покоя коллектора (стока) I₀ выбирают достаточным для обеспечения расчетной амплитуды входного тока сигнала следующего каскада с небольшим запасом, гарантирующим малые нелинейные искажения:

(3.1.35)

где I_~m — амплитуда переменной составляющей выходного тока, равная сумме переменных составляющих тока всех цепей, нагружающих транзистор. Найденное значение I₀ не должно превы-шать допустимого для транзистора; однако ток покоя не следует брать ниже (0,7-1)мА для низкочастотных транзисторов и (2—3) мА для высокочастотных, так как при меньших токах ухудшаются усилительные свойства транзисторов и не гарантируются указанные в справочнике параметры. Для получения от каскада максимального усиления сопротивление резистора R в выходной цепи транзистора (рис. 3.1.7) берут возможно большим, но допустимым по падению на нем на-пряжения питания, а также допустимым по частотным искажениям на верхней рабочей частоте или по времени установления каскада.

Рис. 3.1.7. К расчету резисторного каскада предварительного

усиления: а — на биполярном транзисторе; б — на полевом

транзисторе.

В транзисторных резисторных каскадах без высокочастотной коррекции сопротивления резисторов (рис. 3.1.7) обычно рассчитывают исходя из допустимого падения на них напряжения питания:

(3.1.36)

(3.1.37)

где Е — напряжение питания, подводимое к рассчитываемому каскаду; I₀ — ток покоя выходной цепи транзистора; I_ф — постоянная составляющая тока, протекающая через резистор R_ф. Значения коэффициентов при Е в формулах (3.1.37) для R и R_э (или R_и) желательно брать такими, чтобы сумма коэффициентов составила 0,5—0,6; в этом случае напряжение покоя между выходными электродами транзистора U₀, равное разности Е и падения напряжения питания на R и R_э (или R_и), окажется равным (0,5— 0,4) Е. При этом уменьшается возможность выхода рабочей точки из линейного участка характеристики при изменении температуры или напряжения питания и старении или замене транзистора в каскаде. Коэффициент усиления по току К_т в этом случае обычно лежит в пределах (0,65—0,9)h_21э. Напряжение питания, подводимое к каскаду, не должно превышать допустимое для используемого транзистора, чтобы исключить возможность его пробоя при сильных запирающих транзистор сигналах.

Максимально допустимое значение сопротивления резистора R при заданных частотных искажениях М_в на верхней рабочей частоте f_в или при заданном времени установления каскада t_y можно найти, решив нижнюю формулу (3.1.19) относительно R:

(3.1.38)

Величина R_экв.в=R_экв.вmax определяется по формулам (3.1.15) или (3.1.24).

Напряжение смещения база — эмиттер U_0Б, необходимое для получения выбранного тока покоя коллектора I_0к, находят по входной характеристике транзистора для I_0Б=I_0к/h_21эmin. В случае полевого транзистора со схемой истокового смещения напряжение смещения находят по проходной характеристике для транзистора с наименьшим напряжением отсечки.

Коэффициенты усиления каскада определяют по формуле (3.1.6) или (3.1.7) и (3.1.8), расчетную амплитуду входного тока сигнала и амплитуду входного напряжения сигнала при биполярном транзисторе рассчитывают по следующим выражениям:

(3.1.39)

Частотные искажения на нижних частотах в каскадах рис. 3.1.7 будут создаваться как конденсатором межкаскадной связи С, так и конденсатором схемы стабилизации С_э или С_и; конденсатор фильтра С_ф в полосе рабочих частот обычно не вносит искажений. Емкость конденсатора С рассчитывают по формуле (3.1.11) или (3.1.20) исходя из допустимых частотных искажений М_н.с, вносимых им на низшей рабочей частоте, или из Δ_т; при этом считают R_экв.н~R; R₀=R_вх.сл. Вследствие низкого входного сопротивления каскадов с биполярными транзисторами в них конденсаторы С можно применять электролитические, соблюдая пра-вильность полярности их включения; во входной цепи полевых транзисторов, разделительные конденсаторы С следует брать с высоким сопротивлением изоляции, имеющие бумажный, пластмассовый или слюдяной диэлектрик и хорошо защищенные от влаги; электро-литические конденсаторы здесь не пригодны из-за сравнительно большого и непостоянного тока утечки, который может очень сильно изменить напряжение смещения на затворе или сетке.

В случае промежуточного каскада с биполярным транзистором это можно сделать лишь после расчета предыдущего каскада, так как для расчета С_э нужно знать сопротивление источника сигнала R_ист во входной цепи рассчитываемого каскада. Полный коэффициент частотных искажений каскада М_н на низшей рабочей частоте можно считать равным произведению М_н.с и М_н.э, найденных по формулам (3.1.10) и (3.1.12); при полевом транзисторе М_н=М_н.сМ_н.и.

Вносимые каскадом частотные искажения М_в на высшей рабочей частоте определяются по формуле (3.1.13), а входящую в нее емкость С₀~С_б.э.сл – по формуле (3.1.12); при биполярном транзисторе искажения будут максимальны для транзистора с f_еmin и h21эmax.