Расчёт усилительного каскада

Расчёт усилителя ОЭ по постоянному току.

U_{ВЫХМАКС} U_{ВЫХМАКС} = U_Н

1. Рабочее напряжение выбирается (см. рис. …) из условия

,

где – запас напряжения, связанный с нелинейностью вольт-амперных выходных характеристик;

– запас напряжения, связанный с уходом рабочей точки из-за температуры и разброса параметров транзистора;

– амплитуда выходного напряжения, которая определяется из задания.

1. Локализация рабочей точки (Р.Т.):

а) пологий участок I_K = f(U_КЭ),

б) P < P_Кдоп,

в) I_Э = f(U_бЭ) – на линейном участке,

г) I <I_КМАКС, U_K < U_{KМАКСдоп}.

Максимально допустимые значения берутся из справочника по транзисторам .

2. Выбор (предварительный) величины U_ИП:

, т.к. k ≈ 1

U_{ВЫХМАКС} = U_Н (см. задание).

3. Определив область локализации Р.Т. и её примерные параметры I_KП и U_КЭП, через рабочую точку и U_ИП проводим статическую нагрузочную линию (прямую)

U_КЭ = U_ИП – I_K∙∙R₌

4. Определяем по наклону этой прямой сумму(R_К + R_Э) = R₌ (по постоянному току)

R₌ = (R_К + R_Э) =

5. Как определить из этой суммы минимальную величину R_К ?

1) по наклону нагрузочной прямой для переменного тока (динамическая линия нагрузки)

(см. эквивалентную схему в h – параметрах для усилителя ОЭ).

Провести эту прямую через точку А так, чтобы на оси напряжений от величины U_КЭП отложить отрезок больше величины U_{ВЫХМАКС} (иначе – искажения). Наклон динамической линии нагрузки (R_К || R_Э) даёт R_~.

2) Величину R_~ можно определить и следующим образом:

.

6. Далее определяется R_Э

R_Э = R₌ – R_К

7. Делитель R₁ – R₂ рассчитывается из условия термостабильности рабочей точки

Для кремниевых приборов можно изменением теплового тока коллекторного перехода пренебречь. Выражение упрощается (пренебрегаем членом ).

Принимаем: R_б = R₁ || R₂,

.

Из практики часто принимают

Кроме того ∆I_доп можно определить из коллекторных характеристик: точка A смещается по статической нагрузочной линии при увеличении температуры вверх в точку A* (см. график).

Смотрим, чтобы размах U_{ВЫХМАКС} от проекции точки А` не попадал на границу области насыщения (иначе – искажения).

8. Температурные изменения ∆I_К коллекторного тока можно определить следующим образом:

∆U_Эб = – ξ∙∆Т, где ξ = 1…2 мВ/◦С,

∙∆Т – диапазон рабочих температур (задаётся в задании).

,

где γ₁ = 6,7,

γ₂ = 3,6.

Можно использовать также следующие выражения

9. Из выражения для ∆I_К получаем

, где R_б = R₁ || R₂.

β = β₀ – сред. по диап., ∆ β – разброс от β₀ до β_max.

Если величина R_б оказалась <0, то обеспечить термостабильность НЕ удалось.

Следует изменить положение рабочей точки А: надо сместить т. А вверх и вправо (I_КП ↑ и U_КЭП ↑).

10. Верхнее сопротивление делителя можно определить

Где R_б = R₁ || R₂.

(Для схемы с ОК – расчёт тот же при R_К = 0).

11. Делитель R₁ – R₂ задаёт ток базы в т. A – ток I_бП

.

При этом φ_б = φ_Э + U_бЭП, (это напряжение на резисторе R₂).

I_бп – находится из выходных (коллекторных характеристик).

Считаем, что при U_КЭ ≠ 0 кривые сливаются.

.

(Формула является оценочной), берётся из формулы эквивалентного генератора, когда нет транзистора I_б = 0.

Следовательно, величины R₁ и R₂ можно точно определить из решения системы уравнений:

.

12. Практические величины R_К ≈ 2/3 R₌, R_Э ≈ 1/3 R₌.

13. Расчёт параметров усилителей ОЭ и ОК производится по эквивалентной схеме – малосигнальная схема в h – параметрах.

h – параметры определяются по входным и выходным характеристикам транзистора в рабочей точке.

14. Определение величины ёмкостей разделительных конденсаторов:

Постоянная времени усилителя для диапазона больших τ_Н

, где

,

.

Отсюда определяются С_Р1 и С_Р2, имея в виду, что

, f_Н – задана.

Принять

, ,

,

Тогда , , .

15. Определение верхней границы полосы пропускания:

Постоянная ,

где ,

.

;

С_Э0 = С_К0 + С_б0 из справочника, | β | =1

С_ВХ ≈ 10…20 пФ, (десятки пФ).

, , f_Т ,f_β – из справочника.

Методические указания к расчёту усилителей ОЭ.

Схема 1.

Эквивалентная схема ОЭ в h – параметрах.

1) Диапазон СЧ, тогда (R_Е || X_СЭ) ≈ 0.

2) R_б = R₁ || R₂

3) Ввиду , можно пренебречь элементом .

1. (по перемен. сост.).

а) R_Н = ∞, режим ХХ.

(без учёта )

б) с учётом нагрузки R_Н:

- коэффициент перераспределения выходного напряжения.

2. ,

т.е. R_Н = R_б || h_11Э.

3.

4. k_U с учётом R_Г (выходного сопротивления генератора входного сигнала).

,

т.е. можно ввести - коэффициент перераспределения напряжения на входе

.

k_U = k_{U ХХ}∙∙ - коэффициент усиления по напряжению с учётом условий на входе и выходе.

Схема 2.

1) ,

Если h_11Э << , то

, где ,

и тогда окончательно:

- т.е. не влияют индивидуальные параметры транзистора и, следовательно, их разбросы.

2) R_ВХ = R_б ||

3) R_ВЫХ ≈ R_К

5. Параметры рабочей точки

(в зависимости от схемы).

Эмиттерный повторитель (усилитель ОК).

Необходимость в каскадах с повышенным R_ВХ и пониженным R_ВЫХ. Каскад ОК не даёт усиления по напряжению и не поворачивает фазу входного сигнала. Величина напряжения U_бЭ мала и мало меняется при работе каскада. Следовательно, привязан к и повторяет его изменения.

Эквивалентная схема в h – параметрах.

R_б = R₁ || R₂.

1)

2) R_ВХ = R_б ||

R_ВХ = 10…100 кОм (большое).

3) R_ВЫХ определяется при закорачивании входного источника.

R_ВЫХ = R_Э ||

но R_Э >>,

тогда .

R_ВЫХ уменьшается по сравнению со схемой ОЭ.

R_{ВЫХ (ОК)} = 20…100 Ом, что является положительным качеством.

Усилительные каскады в области низких частот.

Ранее рассматривали в области СЧ для упрощения расчёта. Но имеется АЧХ, где k

Уменьшение k_U:

1. из-за разделительного конденсатора С_Р;

2. блокир. конд. С_Э.

Процесс спада плоской вершины импульса связан с процессами перезарядки.

Определение параметров транзистора – h – параметры.

1. Определение

h₁₁ – входное сопротивление транзистора. Определяется по входной характеристике транзистора I_б = f(U_бЭ ). В определённой точке (например, рабочей точке) к характеристике проводится касательная и, используя построенный треугольник, определяются ∆U_бЭ и ∆i_б.

[В/мА] → кОм , [ В/А] → Ом

линия U_КЭ = const для заданной точки А.

1)

∆I_К – по проекции на ось тока двух точек двух кривых при U_КЭ = const.

∆I_б – берётся из разности I_б4 и I_б3.

2. Определение выходного сопротивления транзистора

В заданной точке В проводится касательная к кривой, строится треугольник и находятся величины ∆I_К и ∆U_КЭ (см. рис.).

Для нахождения величин h – параметров используются реальные вольт - амперные характеристики транзисторов (справочные или экспериментальные).