Последовательность действий при расчётах усилителя

1. В первую очередь определяется рабочая область на ВАХ. Для этого на семействе коллекторных ВАХ строится характеристика мощности рассеяния на коллекторном переходе (Р _к.доп), допустимой для данного КТ312А (результаты расчёта Р _адоп приведён в табл.1).

Таблица 1

Р _к.доп, мВт	450	450	450	450	450	450
U _кэ, В	10	12	15	16	18	20
I _к, мА	45	37,5	30	28	25	22,5

2. Построим на выходных ВАХ транзистора(рис.5.12) нагрузочную характеристику.

В основе построения нагрузочной характеристики усилителя лежит уравнение транзистора в рабочем режиме

(5.1)

Уравнение транзистора в рабочем режиме (5.1) ─ это уравнение прямой линии. Следовательно, нагрузочная характеристика также будет в виде прямой линии, и построить её можно по двум точкам. Для построения нагрузочной характеристики возьмём во внимание два крайних состояния транзистора ─ «закрыт-открыт». Когда транзистор закрыт, то в его цепи течёт лишь ток неосновных носителей (I _кэ0), а им, при нормальной температуре, можем пренебречь. Следовательно, напряжение на коллекторе закрытого транзистора равно напряжению питания Е _к ─ тчк. «С» на оси напряжения. Если транзистор открыт до насыщения, то его сопротивление близко к нулю, и ток через него ограничивается лишь сопротивлением R _к

(5.2)

В режиме насыщения напряжение на коллекторе не превышает 0,05 … 0,1В, поэтому мы пренебрегли этой величиной и, таким образом, получим вторую точку нагрузочной характеристики ─ тчк. «А».

Соединяем точки «А» и «С». Полученная прямая «АС» ─ это нагрузочная характеристика.

Предельные электрические параметры КТ312 А U _кб = 30 В; U _эб = 4 В; I _к = 30 мА; h ₂₁ = 12 …100; Р_кдоп= 450 мВТ. Задание для расчёта: U _кб = 18 В ─ напряжение на коллекторе закрытого транзистора; R _к = 0,6 кОм.

Рис.5.12.

Рис.5.13.

Если использовать всю протяжённость нагрузочной характеристики «АС», то произведение коллекторного напряжения на коллекторный ток ─ эта самая максимальная мощность, которую можно «выжать» из усилителя. Но при проектировании усилителей требование к такому параметру, как мощность ─ не единственное. Есть ещё довольно жёсткие требования к таким характеристикам, как уровень нелинейных искажений, которые искажают форму полезного выходного сигнала, частотные искажения и т.д. Рассмотрим нагрузочную характеристику подробнее. Участок «АЕ» ─ это участок повышенных нелинейных искажений, а участок «DC» ─ участок неуправляемых токов (I _кэ0). Использовать эти участки в процессе усиления сигнала не стоит. Поэтому ограничиваем протяжённость рабочего участка нагрузочной характеристики участком «ED».

3. Перенесём рабочий участок нагрузочной характеристики на входную ВАХ транзистора (рис5.13).

Зададим РТ на построенной нагрузочной характеристике. Напряжение смещения составляет доли вольта (0,6…0,9) В. При этом важно, чтобы изменения базового тока относительно РТ были симметричными. В нашем примере ток базы меняется от 0,6 мА до 0, следовательно, ток базы покоя I _бп будет равен 0,3 мА. Допустимая амплитуда базового переменного тока, при подключении генератора входного переменного сигнала, будет равна 0,3 мА (рис.5.13).

4. Выпишем параметры РТ:

U _бэп = 0,6 В; I _бп = 0,3 мА; U _кэп = 11 В; I _кп = 13 мА; Р _к. = U _кэп I _кп = 143 мВТ < 450 мВт.

5. Рассчитаем сопротивление гасящего резистора R _б1. Напряжение смещения (U _бэп) составляет доли вольта (0,6…0,9) В. Следовательно, большая часть напряжения от источника гасится на резисторе R _б1и сопротивление этого резистора всегда будет достаточно большим.

(5.3)

6. Убедимся в том, что транзистор поставлен в активный режим.

В рабочей точке ток I _кп = 13 мА, падение напряжения на резисторе R _к будет равно следовательно, напряжение на участке «коллектор-эмиттер» в режиме покоя U _кэп = 18 ─ 7,02 = 10,98 В≈11В ─ активный режим.

Примечание. Вообще, в активном режиме напряжение на участке «коллектор-эмиттер» примерно равно U _кэп ≈

2 этаппроектирования

5.3.2. Расчёт основных параметров в режиме усиления.

Работаем по схеме рис.5.7. (или по схеме рис.5.10)

Определяем параметры усиления по полученным построениям:

Коэффициент усиления по напряжению

Внимание. Стоит обратить внимание на форму переменного напряжения U _бэ на входе усилителя (Рис.5.13): форма сильно искажена, несмотря на то, что на вход был подан сигнал синусоидальной формы (u_вх=U _{вх.макс} sinwt). Это ещё раз подтверждает тот факт, что входное сопротивление транзистора носит нелинейный характер (вспомним входную ВАХ транзистора).

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности

Полезная мощность, выделенная на нагрузке

Внимание. Проверим правильность выполненных построений.

Полученные графики должны отражать:

· значение базового тока покоя на входной и выходной ВАХ должны соответствовать одному и тому же значению (I_бп= 0,3 мА);

· амплитудное значение базового тока на входной ВАХ должно соответствовать заданному значению на выходной ВАХ (I_б.макс= 0,3 мА);

· факт усиления напряжения и тока;

· факт инверсии входного сигнала на выходе (изменение фазы).

5.3.3. Расчёт схемы усилителя по схеме рис.5.8 в активном режиме.

Расчёт схемы усилителя на рис.5.8 ведётся аналогично расчётам, проделанным для схемы на рис.5.7. Отметим лишь некоторые особенности этой схемы. Для этого представим схему усилителя в режиме покоя (рис.5.14).

В схеме усилителя используется другой метод подачи напряжения смещения ─ метод фиксированного напряжения (через делитель напряжения из резисторов R _б1 и R _б2). Кроме того, схема содержит элемент термостабилизации положения РТ на ВАХ (R _э). Дело в том, что при изменении температуры режим транзистора может измениться (о температурных свойствах транзистора подробно было сказано в лекции 2). Следовательно, важно не просто задать РТ на ВАХ, но надо еще и обеспечить ей температурную стабильность.

Уравнение транзистора в рабочем режиме для схемы на рис.5.14

(5.4)

Нагрузочная характеристика строится и обрабатывается по тем же правилам, что и для схемы рис.5.12, поэтому для схемы на рис.5.14 строить её не будем: за счёт резистора термостабилизации R _энагрузочная будет иметь несколько другой наклон.

Проведём чисто аналитически расчёт только режимных элементов для схемы на рис. 5.14.

Рассчитаем сопротивление резистора R _б1.

Токи, протекающие через R _б1,- это сумма токов делителя и базы покоя
(I _д и I _бп). Эти токи должны быть взаимно независимыми, поэтому ток делителя берется значительно больше, чем ток базы покоя:

В мощных каскадах усиления ток делителя берется больше тока базы покоя в 3¸5 раз, а в маломощных усилителях ─ в 5¸10 раз.

(5.5)

Напряжение U _б2на резисторе R _б2 (см. схему замещения входной цепи усилителя на рис.5.16)

(5.6)

За счет большого тока делителя напряжение U _б2 на резисторе R _б2будет практически фиксированным (поэтому такой метод подачи напряжения смещения назван методом фиксированного напряжения).

Рассчитаем сопротивление резистора R _б2.

(5.7)

Падение напряжения на резисторе R _э ─ это напряжение термостабилизации. Обозначим его через U _эп = I _эп R _э.

Рис. 5.14. Схема усилителя в режиме покоя с автосмещением и термрстабилизацией РТ

Рис.5.15 Входная ВАХ транзистора при разных температурах

Рис.5.16 Схема замещения входной цепи усилителя в режима покоя

Таким образом, при изменении температуры изменяется лишь напряжение U _эп. Это напряжение автоматически изменяет смещение на базе, возвращая РТ в заданное ранее положение на ВАХ.

Примечание. Если в процессе расчётов значение U _эп не оговорено и нет возможности применить какой-то другой метод при его расчёте, например, то допускается взять U _эп ≈ (0,2 …0,3) Е _к.

─ в активном режиме.

Сущность процесса термостабилизации РТ на ВАХ

Вернёмся к рис.5.15. При изменении температуры с 20⁰С до 50⁰С входная ВАХ сместилась влево (объяснение этому есть в разделе «Полупроводниковые диоды», лекция 1), ток базы увеличился (РТ сместилась в точку «а»). Ток коллектора, связанный с током базы через «h ₂₁», тоже увеличивается, и, таким образом, увеличение температуры изменило режим транзистора и выходные показатели усилителя. Чтобы ток базы, а, следовательно, и ток коллектора приняли прежнее значение, необходимо уменьшить напряжение смещения на базе (с 0,6 В до 0,5 В на рис.5.15).

Воспользуемся схемой усилителя на рис.5.14, когда генератор усиливаемого сигнала отключен. Назовём напряжение U_эп напряжением отрицательной обратной связи (ООС), так как по отношению к напряжению на резисторе R _б2оно включено последовательно и встречно (рис.5.16).

При увеличении токов базы, коллектора и сквозного тока I _кэоувеличивается постоянная составляющая тока в цепи эмиттера I _эп, при этом увеличивается и падение напряжения U _эпна резисторе R _э. Следовательно, напряжение на базе уменьшается, ток базы уменьшается до требуемого значения, и ток коллектора тоже уменьшается. РТ перемещается в заданное ранее положение на ВАХ (в точку «б»). Таким образом, напряжение на R _э изменяется пропорционально току коллектора, следовательно, в схеме усилителя действует ООС по току, которая и обеспечивает температурную стабилизацию РТ. Такой способ стабилизации положения РТ на ВАХ получил название эмиттерной стабилизации.

Определяем сопротивление резистора в цепи эмиттера R _э

где - постоянная составляющая тока эмиттера.

Определяем сопротивление резистора R _к в цепи коллектора

Определяем параметры усиления:

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

Полезная мощность, выделенная в нагрузке

5.3.4. Схема эмиттерного повторителя (рис.5 17).

Рис.5.17

Рис.5.18

На рис.5.18. приведена часть схемы эмиттерного повторителя (ЭП), которая включает в себя входную и выходную цепи.

По этой схеме видно, что входное напряжение «е _вх» распределяется между входным сопротивлением транзистора и сопротивлением нагрузки. Таким образом, усиления напряжения в схеме ЭП нет (К _u ≈ 0,95). Выведем формулу для коэффициента передачи по напряжению в ЭП

(рис.5.8)

Выходным током является эмиттерный ток, а входным ─ ток базы. Следовательно, схему ЭП можно использовать в качестве усилителя мощности за счёт усиления по току. Но это не единственный случай использования схемы ЭП. Включение нагрузки в цепь эмиттера обеспечивает в схеме 100% ООС по переменному напряжению, за счёт которой схема ЭП имеет очень большое входное сопротивление. Имея большое входное и малое выходное сопротивления, схема ЭП широко используется для согласования высокоомной нагрузки с низкоомной, например, во входных цепях измерительных вольтметров, осциллографов. Также, для создания низкого выходного сопротивления в ЭСЛ-логике, на выходе включаются ЭП.

5.3.5. Схема усилителя на транзисторе с ОБ (рис.5.19)