Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Сборник задач и примеры их решения. Учебно-методическое пособие
.pdf
I
h
21
к
I
б
кэА
constU
h
22
I
U
к
кэ
б 2
constI
Рис. 3.5. Определение h-параметров биполярного транзистора по выходным
характеристикам
В свою очередь, h-параметры связаны с внутренними параметрами
транзистора следующими соотношениями:
– входное сопротивление;
11ОЭ б э
h
12ОЭ
(1 )hrr
(1 )r
э
r
– коэффициент обратной связи;
к
h
21ОЭ
1
– коэффициент усиления;
(1 )
где
h
r
б
22ОЭ
rr
кэ
(1 )
– выходная проводимость,
, rэ, rк – внутренние сопротивления базы, эмиттера и коллекторного
перехода биполярного транзистора.
Из совместного решения вышеобозначенных выражений собственные
сопротивления транзистора можно рассчитать как
1
rr rhr
кэ б11ОЭ э
;;(1).
hhhh
22ОЭ 12ОЭ 12ОЭ 22ОЭ
Следует иметь в виду, что при расчетах значение
h
12ОЭ
r
может ока-
б
заться отрицательной величиной. Это означает, что рассчитанные для
выбранной рабочей точки
h-параметры являются несовместимыми.
В этом случае необходимо выбрать другие рабочие точки, для которых
h-параметры будут иными, и снова повторить расчет до получения по-
ложительного значения сопротивления базы.
41
Типовые схемы усилительных каскадов, выполненные по схеме с
ОЭ, представлены на рис. 3.6, 3.7.
а) б)
Рис. 3.6. Типовые схемы однокаскадных усилителей с ОЭ
а) б)
Рис. 3.7. Типовые схемы однокаскадных усилителей: а – с ОК; б – с ОБ
Анализ работы и расчет усилительных каскадов выполняют с ис-
пользованием наложения режимов покоя (
U
= 0) и нагрузочного ре-
вх
жима с учетом динамических характеристик транзистора по постоянному и переменному току.
В моломощных усилителях низкой частоты при известных значениях сопротивлений нагрузки
чениях
h-параметров транзистора в избранной схеме включения в соот-
R
и генератора сигналов Rг, а также зна-
н
ветствующей рабочей точке основные показатели качества каскада могут быть рассчитаны по следующим формулам:
42
коэффициенты усиления по току
I
R
~
Ih
коэффициенты усиления по напряжению
коэффициенты усиления по мощности
k
U
k
UhR
вых 21 н
Uh hRhhR
вх 11 22 н 12 22 н
вых 21
I
1
вх 22 н
1
hR
;
;
входное сопротивление усилителя
R
R
вх
вых
выходное сопротивление усилителя
В приведенные формулы входят значения
kkk
pIU
(1)
hh /R hh
11 22 н 22 21
(1)
h/R
22 н
hh R hh
22 11 г 12 21
;
hR
11 г
;
.
h-параметров, соответ-
ствующие способу включения транзистора.
Иногда при инженерных расчетах параметров усилительного кас-
када применяются приближенные формулы:
для схем с ОЭ и ОБ:
hR h R
для схемы с ОК:
kkhk Rh
UIP
21 н 21 н
hh
;; ;
11 11
21 вх 11
2
,
1; ; ;
kkhkhR
UI P
21 21 вых
г
.
h
21
Если по условиям задачи параметры транзистора не заданы, но известны данные о нагрузке, то расчет усилительного каскада начинается
с выбора транзистора. Для этого на первом этапе расчета определяется
колебательная мощность, развиваемая в выходной цепи усилителя при
максимальном входном сигнале
PP
~ím
,
а затем по эмпирической формуле рассчитывается максимальное значение мощности, которая рассеивается на коллекторе транзистора
)6,21,2(
43
PkP
.
запmaxк
m
Здесь коэффициент запаса k
= 1,2 ÷ 2, большее значение которого ре-
зап
комендуется выбирать для мощных триодов и более ответственных схем.
Выбор транзистора осуществляется по допустимой (паспортной)
мощности рассеивания на коллекторе Р
, так чтобы выполнялось
к, доп
условие
Следует отметить, что выбор транзистора по
PP .
к, доп к max
P
усложняется из-
к, доп
за уменьшения ее значения с ростом температуры окружающей среды.
Однако мощность рассеяния на коллекторе можно увеличить, улучшив
условия отвода тепла от транзистора.
На втором этапе расчета определяются параметры оптимального режима работы усилительного элемента. Оптимальным режимом работы усилительного каскада является такой режим, при котором усилительный элемент
используется наиболее полно, т. е. в нагрузку отдается максимальная
мощность при наименьших возможных габаритах и весе усилителя.
Известно, что режим работы усилительного элемента зависит от
величин питающих напряжений (в частности, координат точки покоя) и
величины сопротивления нагрузки. Наиболее эффективно усилительный элемент используется при больших амплитудах переменных токов
и напряжений выходной
цепи, захватывающих даже нелинейные участки характеристик. Поэтому оптимальные значения величин, определяющих режим работы каскада, удобнее и точнее всего находить графическим путем. Помимо универсальности (т. е. применимости для любого
типа усилительных элементов) и наглядности, графический метод расчета дает большую достоверность результатов, а во многих случаях и
большую, чем аналитический метод, точность.
Графический расчет оптимального режима работы усилительного
каскада сводится к определению рабочей области характеристик выходной цепи и построению линии нагрузки.
Рабочая область транзистора строится по его предельным параметрам (рис. 3.8). Сверху область ограничивается максимально допустимым током коллектора в импульсном режиме I
стимых мощностей
Р
к, доп
.
и гиперболой допу-
к, доп
Для построения гиперболы допустимых мощностей задаются рядом
значения напряжения на коллекторе и по известной мощности рассеяния Р
рассчитывают допустимое значение коллекторного тока.
к, доп
Правой границей рабочей области является максимально допустимое
напряжение на коллекторе
U
, величина которого зависит от сопротив-
к доп
ления в цепи базы транзистора и температуры окружающей среды.
44
I
Рис. 3.8. К определению оптимального режима работы усилительного
каскада
Слева область ограничивается вертикалью, отсекающей падающие участки выходных характеристик, снизу характеристикой, построенной для
Нагрузочная характеристика проводится из точки
= (0,7–0,9)U
max
стей. При этом достигается максимальная площадь треугольника
I
при заданной температуре окружающей среды.
б0
С, для которой U
, как можно ближе к гиперболе допустимых мощно-
к, доп
к
СBD, а
следовательно, обеспечивается отдача каскадом наибольшей мощности
в нагрузку.
Нагрузочную характеристику по постоянному току можно построить и по значениям:
;
E/R
,
UE
кэ к
к max кк
как это показано на рис. 3.9. Однако в этом случае трудно говорить об
ее оптимальном положении, так как сопротивление
R
, выполняющего
к
роль нагрузки по постоянному току, должно быть задано.
Определив положение линии нагрузки, строятся динамические
проходная и входная характеристики.
С линии нагрузки и динамических характеристик для выбранной
рабочей точки
А определяются значения электрических величин, обес-
45
печивающих оптимальный режим работы усилительного каскада I
I
E
I
U
, Uк0 и рассчитываются элементы схемы:
c0
Рис. 3.9. Построение нагрузочной и проходной характеристик
по постоянному току
*
, Iк0,
б
оптимальное сопротивление коллекторной цепи R
2
U
к
2
c
;
I
m
m
к
R
,
2
к0
*
к0
и R2
1
U
0
c
дел
II
дел б
,
R
сопротивления делителя напряжения R
R
1
;
к
U
к 0
I
дел
где ток делителя выбирается из условия
сопротивление в эмиттерной цепи транзистора R
(0,2 0,4) U
R
α-коэффициент передачи по току для схемы с ОБ выбранного тран-
где
э
к
(5 10)
э
*
;
зистора;
конденсатор в цепи обратной связи С
разделительными конденсаторами
рассчитываются совместно с
э
С
и С2 из условия обеспечения
1
минимального фазового сдвига. Однако в первом приближении они
могут быть выбраны по условиям
1
c
min
C
,
где
3020
C [мкФ];
э
ω
R
э
= 2f, f – частота входного сигнала.
10
6
x
46
Правильность выбора оптимального режима работы подтверждает-
I
ся проверкой контрольного неравенства
UI
кк
kP
зап ~
m
mm
.
2
Если неравенство не выполняется, то следует перейти к другому
более мощному транзистору.
Входное сопротивление усилительного каскада и мощность, по-
требляемая входными цепями, определяются выражениями
где
R
RR
вх вх
– входное сопротивление триода, определяемое по динамиче-
вх VT
12
RR
12
VT
;
P
вх
RR
ской входной характеристики в рабочей точке
U
R
вх
VT
2
IR
вх max вх
2
А (рис. 3.8) как
бэ
.
б
,
Одним из важных режимов работы усилительного каскада является
режим класса
D или так называемый ключевой режим работы. Он ха-
рактеризуется тем, что силовой транзистор находится в одном из двух
состояний: либо в полностью открытом (режим насыщения), либо в
полностью закрытом (режим отсечки). Если нагрузка такого усилителя
является резистивной (рис. 3.10), то методика расчета такого каскада
может быть следующей.
Рис. 3.10. Схема ключевого режима работы биполярного транзистора
Исходя из заданных параметров нагрузки Rн и источника питания
Е
рассчитывается ток коллектора транзистора как
к
EU
где
U
I
к расч
– напряжение насыщения биполярного транзистора.
кэ нас
ккэнас
R
47
,
н
Типичное значение напряжение насыщения для биполярного тран-
I
I
зистора обычно составляет от 0,2 до 0,8 В и выбирается в зависимости
от типа транзистора.
На практике, из соображений обеспечения надежной работы усили-
Е
теля, величины коллекторного тока и напряжения питания
ра транзистора берутся с 1,5–2-кратным запасом, т. е.
Е
= (1,5 – 2)Ек.
к
I
для выбо-
к
= (1,5–2)I
к
к расч
По справочнику для биполярных транзисторов, для заданных зна-
,
чений
Е
и I
выбирают транзистор так, чтобы: U
к
к
к доп
Е
к
и I
к доп
Iк.
Следующим этапом расчета является определение тока базы, обес-
печивающее расчетное значение тока коллектора из соотношения
где
к расч б 21э
h
– гарантированный минимальный статический коэффициент пе-
21э
Ih
,
редачи транзистора по току.
R
Для расчета базового резистора
необходимо сперва по справоч-
1
нику рассмотреть зависимость напряжения насыщения база-эмиттер
(
U
ного значения
) от тока коллектора выбранного транзистора, а затем для задан-
бэ нас
I
определить U
к расч
. Если такой график отсутствует,
бэ нас
то можно использовать допущение, что ВАХ перехода база-эмиттер биполярного транзистора подобна ВАХ диода и в диапазоне рабочих токов напряжение база-эмиттер находится в пределах 0,6–0,8 В.
Следовательно, сопротивление резистора
EU
1 бэ нас
R
1
I
б
Если к базе транзистора подключен шунтирующий резистор
R
должно быть равно
1
.
R
2
(вводится для более быстрого выключения транзистора или для повы-
шения помехоустойчивости), нужно учитывать, что часть входного тока
уйдет в этот резистор, и тогда расчетное соотношение примет вид:
EU
Задаваясь значением
ют значение
R
.
1
R
1
R
порядка единиц или десятков кОм, рассчитыва-
2
1 бэ нас
UR
ббэнас2
.
/
Рассчитываются потери мощности на транзисторе
где
U
кэ нас
берется из графика для заданного расчетного значения кол-
лекторного тока.
PI U
ккрасчкэнас
,
48
3.3. Примеры решения задач
Задача 1
Определить h-параметры биполярного транзистора, включенного
по схеме с ОЭ, входные и выходные характеристики которого представлены на рис. 3.11.
Рис. 3.11. Статические характеристики транзистора
Решение
Для определения параметра h11 выберем два значение базового тока
на линейном участке входной характеристики при
I
= 0,6 mA (рис. 3.12).
и
б2
U
= 5 В: Iб1 = 0,4 mA
кэ
Рис. 3.12. К определению h-параметров транзистора
49
Тогда приращению базовых токов
бб2 б1
6402mAII I ,
будет соответствовать приращение входного напряжения
001ÂU, .
áý
Следовательно, входное сопротивление
U,
h
11
Для определения параметра
бэ
I,
б
5В
U
кэ
h
ке среднее значение базового тока
приращения выходного напряжения
ращение входного напряжения составит
002
100 Ом
3
0210
выберем на входной характеристи-
12
I
= 0,5 mA (рис. 3.12). Тогда для
б
при-
кэ кэ2 кэ1
бэ
013ВU,
.
.
505ВUU U
Отсюда
U,
U
бэ
кэ
05mA
I,
б
h,
12
Коэффициент передачи схемы по току h
013
5
0026
21
.
определяется по выход-
ным характеристикам. Выбрав диапазон изменения базовых токов
I
= 4 mA и Iб2 = 6 mA при Uкэ = 5 В значение его определится как
б1
3
62 5
3
.
5B
12 5 10
0210
I,
h,
21
к
I,
б
U
кэ
Выходную проводимость транзистора h
зового тока I
кэ кэ2 кэ1
= 0,5 mA для диапазона выходных напряжений
б
10 5 5 ВUU U .
I
h,
22
к
U
кэ
I,
05mA
б
310
5
3
найдем при значении ба-
22
1
0 0006 Ом
.
Ответ. h-параметры биполярного транзистора составили
h
= 100Ом, h12 = 0,026, h21 = 62,5, h22 = 0,0006 Ом–1.
11
Задача 2
Рассчитать показатели качества усилительного каскада (рис. 3.13),
выполненного на биполярном транзисторе КТ202А по схеме с ОЭ, если
напряжение питания Е
= 10 В, сопротивления Rб = 150 Ом и Rк = 1 кОм.
к
Статические характеристики транзистора представлены на рис. 3.14.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]