Усилительные каскады на биполярных транзисторах (90

2.Эквивалентная схема для области средних частот.

3.Работа транзистора в схеме усилительного каскада: 1) физика работы транзистора; 2) входные и выходные вольт-амперные характеристики; 3) задание рабочей точки;

4) движение рабочей точки под действием гармонического

сигнала;

5)влияние сопротивлений генератора и нагрузки;

6)максимальные входные и выходные значения тока и напряжения по ВАХ;

7)учет фаз входных и выходных токов и напряжений.

4.Вывод формул усилительных параметров каскада для области средних частот.

5.Каскад в области низших частот и больших времен:

1)эквивалентная схема;

2)вывод формул постоянной времени и граничной частоты;

3)АЧХ, ФЧХ, переходная характеристика, частотные искажения, коэффициент спада вершины импульса, добротность каскада.

6. Каскад в области высших частот и малых времен:

1)эквивалентная схема;

2)вывод формул постоянной времени и граничной частоты;

3)АЧХ, ФЧХ, переходная характеристика, частотные искажения, время нарастания фронта импульса, добротность каскада.

7. Уметь демонстрировать преподавателю работу каскада, объяснять зависимость параметров усилителя от элементов схемы, комментировать результаты эксперимента, инверсию фазы выходного сигнала или ее отсутствие.

31

Задание по расчету схем усилительных каскадов

1.Схема с общим эмиттером

1.Перенесите входные и выходные ВАХ транзистора, который Вы выбрали, на миллиметровку. С учетом предельных режимов и минимальных искажений обрисуйте рабочую область.

2.Сформулируйте задачу, т. е. определите назначение каскада, для чего Вы хотите его использовать.

3.Из справочника запишите параметры транзистора, предельные режимы, зависимости параметров транзистора от режима и температуры.

4.В соответствии с поставленной задачей поставьте рабочую точку А и запишите ее параметры – токи и напряжения транзистора.

5.Найдите все физические параметры и h-параметры в окрест-

ностях рабочей точки. Найдите fα , fβ , fmax , Cк , Cк* .

Расчет по постоянному току

Провести расчет каскада по постоянному току для схемы. Расчет производить по полной методике, считая, что:

Rвх = r + (1 + β )(R0 + rэ) ;

Eк0 = 50 В;

R0 = 30 − 100 Ом;

Tmin = −50 ºС;

Tmax = +80 ºС (кремниевые транзисторы);

Tmax = +50 = +50 С (германиевые

транзисторы);

R0 – резистор, выделяемый из расчетного Rэ = R0 + Rэ′ ,

32

коэффициент нестабильности S должен быть меньше 10 . Найти сопротивление гасящего резистора Rф.

Для этого найти изменение с температурой всех параметров транзистора, влияющих на ток коллектора, и определить допустимые изменения тока коллектора по формуле:

Если в справочнике нет зависимости β от температуры ( h21э от температуры), то воспользоваться следующей формулой:

где tпрmax = tC max + RпсPк – максимальная рабочая температура

перехода;

Rпс – тепловое сопротивление промежутка переход –

окружающая среда;

Pк = UкэA IкA – мощность рассеяния на коллекторе в рабочей

точке;

tC – температура окружающей среды.

Величину Rпс, если она не указана в справочнике, взять

0,65 град/Вт.

2. Провести упрощенный расчет каскада по постоянному току для следующих схем (рис. 13) при той же рабочей точке и Eк . Не

путать с Eк0 !

3. Считая, что нагрузкой является аналогичный каскад, т. е. Rн = Rвх, построить динамическую нагрузочную прямую Rк || Rн .

33

4. Определить Uвхmax , Uвыхmax , выходную мощность. Для основной схемы (п. 1) определить напряжение на электродах транзи-

стора относительно общей шины: Uк , Uэ, Uб . Уметь определять

все токи и напряжения любого каскада по схеме ОЭ, если заданы номиналы резисторов, тип транзистора и напряжения источников

питания (Uк , U э, Uб , Uкэ, Uбэ, Uбк , Iк , Iб , Iдел).

5. Определить мощность резисторов и напряжения конденсаторов.

Рис. 13. Схемы для расчета усилительного каскада по постоянному току

34

Расчет по переменному току

Область средних частот

необходимости пересмотреть Rб .

2)KU определять с учетом Rвхобщ .

3)Не забывать о R0 .

2.Провести расчет характеристик для стандартных значений выходного сопротивления генератора звуковых частот. Дать анализ зависимости.

3.Найти KI , KI кэ, ξ Iвх , ξ Iвых для тех же значений Rн, как и п. 1

иодного (любого) значения RГ .

4.Найти параметры каскада без обратной связи.

5.Определить на переменном токе γ б , γ б0 .

6.Найти Rвх, KU , KI по формулам, учитывая внутреннюю обратную связь. Помнить о R0 .

7.С учетом rк* в данной точке найти γ к* , KU , KI , Rвых и сопротивления динамической нагрузки, т. е. если каскад выполняет роль

динамической нагрузки.

8. Сделать общие выводы.

Область низших частот и больших времен

1.Обеспечить fн = 30 Гц, т. е. найти значения C1, C2 , Cэ.

2.Для C1 = C2 = 1 мкФ и Cэ = 10 мкФ найти fн и τ н.

35

3. Для импульсов длительностью τ и = 10 мкс, 100 мкс и 1000 мкс и C1, C2 , Cэ по пункту 1 найти коэффициенты спада вершины импульса. Сделать вывод.

4.Каскад работает как усилитель импульсов с длительностью

τи = 100 мкс. Обеспечить KC = 0,1 (найти C1, C2 , Cэ).

5. Для схем с C1 = C2 = 1 мкФ и Cэ = 10 мкФ и τ и = 10 мкс, 100 мкс и 1000 мкс найти KC .

6.По пункту 1 построить АЧХ и ФЧХ.

7.По п. 1 построить переходную характеристику.

8.Рассчитать Cф, чтобы цепь RфCф не влияла на общую посто-

янную времени.

9. Сделать общие выводы.

Область высших частот и малых времен

4.Построить АЧХ, ФЧХ и переходную характеристику на общем графике АЧХ и отдельном для KИ (t) .

5.Построить нормированные характеристики Zвх .

6.Определить добротность:

1)по основной формуле;

2)с учётом значения rк* ;

3)найти добротность транзистора;

4) найти Rкопт и Дmax для многокаскадного усилителя.

7. Дать анализ полученных результатов. Для всех схем учитывать Rф и Cф.

ВНИМАНИЕ! Для всех последующих схем разрешается корректировать рабочую точку для эффектовного использования транзистора.

36

2. Эмиттерный повторитель (ЭП)

Пункты, помеченные звездочкой, выполнять в случае, если Вы претендуете на отличную отметку.

Рассчитать ЭП по постоянному току для тех же транзисторов и источника питания. Обеспечить минимум S.

1. Найти Rвхmax и Rвх для случая, когда нагрузкой является Ваш каскад по схеме с ОЭ.

2.Найти Rвх с учетом Rб .

3.Найти KU max .

4.Записать и вычислить KU через коэффициент входа и выхо-

да и KU max .

5. Для Вашего случая, т. е. rк* >> Rэ || RН или rк* << Rэ || RН (или по формуле (19) для общего случая) найти KU .

6.Найти Rвых и Rвыхmin .

7.Найти Uвхmin , динамический диапазон входных сигналов,

считая, что Uвхmax = Eк = −1 В.

8. * Подобрать транзистор T2 для ЭП на составном транзисторе

(СТ).

9.* Для ЭП на СТ, если T2 – аналогичный, подобрать гасящий резистор Rб .

10.* Рассчитать для Ваших транзисторов схему, т. е. найти R1, R2 , Rб2 , Rвх, KU , сопротивление на переменном и постоянном токе

транзистора T2 при RН .

11. * Рассчитать каскад ЭП с нейтрализованным делителем.

37

3.Каскад с эмиттерным входом

1.Рассчитать по постоянному току.

2.Найти KU , KI , Rвх, Rвых. Считать, что RГ – стандартное,

RН = Rвх ОЭ .

4.Каскад с эмиттерной связью

1.Для выбранных транзисторов рассчитать по постоянному

току.

2.Найти KU , Rвх, Rвых. RГ и RН выбрать самим и обосновать

выбор.

5.Каскод

1.Нарисовать эквивалентную схему последовательного каскода для области средних частот.

2.Рассчитать схему последовательного каскода с общим делителем в цепи базы для выбранных транзисторов по постоянному току.

3.Обеспечить fн = 30 Гц, т. е. определить Cб , Cэ, C1, C2 .

4.Найти KU , Rвх, Rвых, KI , K p .

6.Дифференциальный каскад

1. Рассчитать по постоянному току.

2. Определить RвхД , RвхС , RвыхД , RвыхС , KU Д , KUC , K П , Iвх ср ,

I разн, начальный разбаланс (считая, что он определяется разбросом

Iэ0 в 20 %).

38

Задание по компьютерному моделированию рассчитанных схем

Внастоящее время ни одно радиоэлектронное устройство не изготавливается без тщательного компьютерного моделирования.

Вучебном процессе широко применяется компьютерный эксперимент в среде Electronics WORKBENCH. Для облегчения освоения этой программы в литературе [3], в приложении № 1 к пособию даны методические указания «Знакомство с программой схемотехнического моделирования EWB v 5.12».

1. Соберите минимум по одному однотранзисторному и одному двухтранзисторному каскаду по итогам Ваших расчетов. Выберите зарубежный аналог транзистора наиболее близкий по параметрам к Вашему.

2. Проведите полный компьютерный эксперимент по определению усилительных, частотных и временных характеристик схем. Сравните результаты моделирования и расчета.

3. Проведите исследование зависимостей параметров схем от значений 5 – 7 элементов для области средних частот. Постройте графики зависимостей. Сделайте выводы.

4. Исследуйте зависимость частотных и временных свойств каскадов от элементов схемы. Постройте графики, сделайте выводы.

Литература

1.Степаненко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. – М., Энергия, 1977.

2.Гусев, В.Г. Электроника: учеб. пособие для приборостроительных специальных вузов / В.Г. Гусев , Ю.Н. Гусев . – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк. 1991.

39

Учебное издание

Артемов Константин Серафимович Солдатова Нина Львовна

Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Методические указания

Редактор, корректор И.В. Бунакова Компьютерная верстка Е.Л. Шелеховой

Подписано в печать 20.12.2007. Формат 60х84/16. Бумага тип. Усл. печ. л. 2,32. Уч.-изд. л. 1,72. Тираж 300 экз. Заказ .

Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе

Ярославского государственного университета

Отпечатано на ризографе

Ярославский государственный университет 150000 Ярославль, ул. Советская, 14.

40