Задание положения рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи по току

Задача расчета транзистора по постоянному току состоит в определении номинальных значений резисторов в схеме, которые задают рабочую точку транзистора. Рассмотрим схему на рис. 4. В данном случае мы должны найти величины сопротивлений R₁, R₂, а также коэффициент температурной нестабильности S и приращение коллекторного тока при заданном диапазоне изменения температуры .

Решим эту задачу для конкретного случая. Выберем стандартный источник питания Е_к=12 В, транзистор КТ-312Б. Для данного транзистора в справочнике приведены все необходимые характеристики (рис. 5 - 8). Выбираем режим работы транзистора. Пусть это будет режим работы класса А. Выберем рабочую точку "А" транзистора с параметрами U_кэА=5 В, I_кэА=18 мА. Проводим нагрузочную прямую через точку "А" и через точку с координатами U_кэ=Е_к=12В, I_кэ=0 до пересечения с осью тока. По нагрузочной характеристике находим максимальное значение тока насыщения транзистора. Для рассматриваемого случая оно равно I_кн=30 мА. Зная ток насыщения транзистора, можем теперь найти величину резистора в цепи коллектора R_K:

(Ом).

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайший номинал R_K=430 Ом или 390 Ом, в зависимости от требований к коэффициенту усиления К_и или полосе пропускания. Если нам необходимо получить максимальный коэффициент усиления К_и, то нужно выбрать значение коллекторного сопротивления, равное R_K=430 Ом, если же нам требуется максимальная полоса пропускания, то нужно взять R_K=390 Ом.

Далее по выходной характеристике транзистора определяем ток базы в точке "А" I_бА (рис. 5). В данном случае он равен: I_бА=0,4 мА. Затем по входной характеристике находим значение напряжения на базе в точке "А" U_бэА. В нашем примере падение напряжения на базе будет равно:

U_бэА= 0,46 В.

Ток эмиттера является суммой токов коллектора и базы, т.е.:

(мА).

Составляем уравнение равновесия напряжений по второму правилу Кирхгофа для цепи эмиттер-коллектор:

. (1)

Для входной цепи по второму правилу Кирхгофа можно составить два уравнения равновесия напряжений:

, (2)

. (3)

Из уравнений (2) и (3) следует, что:

Сопротивление R_э осуществляет отрицательную обратную связь по току (ООС). Падение напряжения на нем должно быть небольшим, поэтому обычно из практических соображений выбирают U_R_э ~ (0,1- 0,3)Е_к. Возьмем в нашем случае U_R_э = 0,1Е_к, тогда из этого условия можно найти значение сопротивления в цепи эмиттера:

Выбираем номинал резистора по стандартному ряду сопротивлений типа МЛТ, равный 100 Ом. Тогда падение напряжения на эмиттерном сопротивлении будет равно:

Для задания фиксированного напряжения на базе транзистора необходимо, чтобы:

Для расчета сопротивления R₂ необходимо знать величину тока I₂. Как и в предыдущем случае из практических соображений выбираем значения токов I₁ и I₂ равными:

Теперь можем рассчитать величину резистора R₂:

Выбираем ближайший номинал из стандартного ряда сопротивлений типа МЛТ, равный R₂=1,5 кОм. Далее по уравнению (1) для входной цепи рассчитываем величину резистора R₁:

Выбираем номинал из стандартного ряда, равный R₁=5,1 кОм. Рассчитаем теперь мощность рассеяния на выбранных нами сопротивлениях:

Таким образом, в нашу схему для задания рабочей точки необходимо поставить резисторы следующих номиналов:

R₁ - МЛТ - 0,125 Вт - 5,1 кОм;

R₂ - МЛТ - 0,125 Вт - 1,5 кОм;

R_К - МЛТ - 0,250 Вт - 430 Ом;

R_э - МЛТ - 0,125 Вт - 100 Ом.

Далее рассчитаем коэффициент температурной нестабильности. Пусть начальная температура окружающей среды будет равна Т₀=20^оС, интервал изменения температуры Т=+40^оС. Значение коэффициента передачи тока транзистора схемы с общим эмиттером для начальной и конечной температуры находим по графику на рис. 7. Рассчитаем параметры D и :

;

Теперь можно определить коэффициент температурной нестабильности для схемы с ООС по току:

Зная коэффициент температурной нестабильности, можно найти величину приращения коллекторного тока I_к при изменении температуры в заданном интервале . Величину изменения обратного коллекторного тока находим по графику на рис. 8.

где ,

- находим из графика на рис. 7.

- находим из графика на рис. 8.

В нашем случае получаем следующий результат:

Далее следует учесть то, что реальные сопротивления всегда имеют технологический разброс значений, зависящий от класса точности изготовления резисторов. Поэтому необходимо определить значения коэффициента температурной нестабильности и приращения коллекторного тока, если резисторы R₁, R₂, R_к, R_э имеют разброс параметров .

Допустим, что в нашем случае разброс параметров сопротивлений равен =30%. Рассчитаем два варианта, когда коэффициент температурной нестабильности и, следовательно, приращение коллекторного тока будут иметь максимальное и минимальное значения. Это произойдет в том случае, когда параметр D будет принимать минимальное и максимальное значения соответственно. Если сопротивления R_э изменятся на , а R₁, R₂ - на , то параметр D будет иметь минимальное значение. Если резисторы R_э изменятся на , а R₁, R₂ - на , то параметр D достигнет максимального значения. Определим, какие значения примут резисторы при заданном разбросе параметров:

R₁_min =5100 - = 3570 Ом; R₁_max =5100 + = 6630 Ом;

R₂_min =1500 - = 1050 Ом; R₂_max =1500 + = 1950 Ом;

R_Kmin = 430 - = 301 Ом; R_Kmax = 430 + = 559 Ом;

R_Э_min = 100 - = 70 Ом; R_Э_max = 100 + = 130 Ом.

Рассчитаем минимальное и максимальное значение параметра D:

Далее найдем максимальное и минимальное значения S:

Теперь определим приращения коллекторного тока:

На этом расчет статического режима работы транзистора закончен.

3.3 Задачи для самостоятельной работы

По числовым данным, приведенным в табл. 1, рассчитать статический режим работы транзистора КТ-312Б, характеристики которого даны на рис. 5 8. Схема усилительного каскада приведена на рис. 4. В таблице даны: координаты положение рабочей точки А (U_кэА, I_кэА), напряжение питания каскада (Е_к), номинальное значение температуры окружающей среды (Т), интервал изменения температуры (), интервал разброса параметров резисторов ().

Определить номинальные значения резисторов R₁, R₂, R_к, R_э, коэффициент температурной нестабильности S, приращение коллекторного тока тока I _кв заданных интервалах температуры и разброса параметров.

Таблица 1.

Номер варианта	U_кэА, В	I_кэА, мА	Е_к, В	Т, ^оС	, ^оС	, %
1	5	6	10	25	+40	±20
2	10	15	20	25	+40	±10
3	5	10	15	25	-30	±20
4	10	10	20	25	+35	±15
5	8	6	15	20	-35	±20
6	10	18	25	20	+20	±25
7	8	15	25	25	+45	±30
8	12	7	20	20	+40	±20
9	5	22	15	20	-20	±20
10	5	20	25	20	+35	±10
11	15	15	25	20	-35	±20
12	10	20	25	25	+30	±20
13	7,5	20	20	20	+30	±30
14	12,5	6	20	25	-30	±20
15	12,5	15	20	25	+40	±20
16	10	23	25	25	+40	±20
17	10	22	25	25	-40	±10
18	5	9	12	25	+20	±10
19	6	11	15	20	-20	±15
20	5	20	18	20	+20	±15
21	5	16	16	25	+25	±20
22	7,5	16	20	25	+25	±20
23	7,5	20	20	20	+35	±25
24	10	10	15	20	+35	±25
25	10	15	20	20	-35	±20
26	9	7	18	20	+40	±30
27	6	10	18	20	+30	±20
28	8	15	16	25	+35	±20
29	15	18	25	25	+45	±20
30	7,5	20	15	20	+50	±10