Б. Рассчитываются значения сопротивлений резисторов

Сопротивление резистора выбирается таким, чтобы падение напряжения на нем было в пределах (0,1÷0,3) Е _к. Принимая U _Rэ = 0,2 Е _к (см. рис. 1,2), получим

,

где E_К - напряжение источника питания;

I_0к - ток покоя коллектора, определяющий режим работы транзистора по постоянному току;

I_0б - ток покоя базы. Определяется из семейства выходных характеристик по заданному току покоя коллектора I_0К на основе метода графической экстраполяции.

Коллекторное сопротивление равно

где U_0кэ - напряжение между коллектором и эмиттером в режиме покоя по постоянному току.

В. Проводится линия нагрузки по постоянному току на выходных характеристиках транзистора рис. 1.3, б, представляющих собой гео­метрическое место точек, координаты которых I _к и U _kэ соответствуют возможным значениям точки покоя каскада. Для построения линии нагрузки по постоянному току достаточно двух точек, так как она представляет собой прямую линию (линейное сопротивление R свя­зывает между собой ток и напряжение каскада).

На оси абсцисс находится первая точка, исходя из режима "холостого хода", т. е., при I _к = 0. Тогда напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U _кэ будет равно напряжению источника питания Е _к, так как падение напряжения на R _к принимается равным нулю. Вторая точка определяется из режима короткого замыкания U _кэ = 0. При этом ток коллектора транзистора должен быть равен I _к = E _k/(R _k+ R _э). Отложив это значение тока на оси ординат, получим вторую точку.

Линия, соединяющая первую и вторую точки, является линией нагрузки по постоянному току. Аналитическое уравнение линии на­грузки по постоянному току имеет вид

U _кэ = E _к − I _к (R _к + R _э).

На этой линии находится точка покоя П (рис.1.3, б), которой соответствует точка покоя П на входной характеристике (рис.1.3, а).

Величина тока покоя базы I _0б, соответствующего этой точке находится из оче­видного соотношения I _об = I _0к/β. Для выбранного транзистора ток покоя базы I _0б находится по выходной характеристике транзистора.

Г. Выбирается сквозной ток делителя напряжения. Для обеспечения необходимой стабильности работы усилительного каскада задаются достаточно большим значением сквозного тока через сопротивления делителя R₁, R₂ - на порядок превышающим значение тока покоя базы:

I_д» 10 I_0б ,

где I_д - сквозной ток делителя напряжения.

Величина резистора R ₂ определяется из соотношения

,

где U_0эб - напряжение между эмиттером и базой транзистора в режиме покоя, определяется по входной характе­ристике для известного значения I_0б.

По резистору R ₁ кроме тока I_д протекает ток базы транзистора, поэтому

Д. Строится линия нагрузки каскада по переменному току. Для определения переменных составляющих выходного напря­жения каскада и коллекторного тока используют линию нагрузки каскада по переменному току. При этом следует учесть, что сопротив­ление R _э зашунтировано конденсатором С _э, сопротивление которого переменному току практически равно нулю, так же как и сопротив­ление конденсатора С ₂, соединяющее нагрузку R _н с коллектором. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания Е _к переменному току также близко к нулю, то окажется, что сопротив­ление каскада по переменному току определяется сопротивлениями R _к и R_н, включенными параллельно

,

т.е. меньше, чем сопротивление каскада постоянному току, равному R = R _к + R _э.

Линия нагрузки по переменному току обязательно должна пройти через точку покоя. Это можно объяснить так: если посте­пенно уменьшать амплитуду переменного входного сигнала, то в конце концов мы окажемся в точке покоя П (рис. 1.3, б). Вторую точку линии нагрузки по переменному току можно найти, задав прираще­ние тока коллектора ∆I_к и определив соответствующее ему прираще­ние напряжения коллектор-эмиттер.

Для того, чтобы эта точка находилась на оси абсцисс, принимаем ∆ I _к = I _0к.

Следовательно, вторая точка будет находиться на оси абсцисс на расстоянии Δ U _кэ вправо от точки покоя U_0кэ.

Линия, проведенная через эти две точки, и будет являться линией нагрузки каскада по переменному току.

При поступлении на вход каскада переменного напряжения u _вх (см. рис.1.3, а) в базовой цепи транзистора создается перемен­ная составляющая тока базы i _б, связанная с напряжением и_вх вход­ной характеристикой. Так как ток коллектора связан с током базы пропорциональной зависимостью i_к = βi _б, то в коллек­торной цепи транзистора создаются переменная составляющая тока коллектора i _к (рис. 3.1, б) и переменное выходное напряжение u _вых, связанное с током i _к линией нагрузки по переменному току. Линия нагрузки по переменному току показывает как перемещается рабо­чая точка (i_к, u_к)при изменении мгновенных значений переменного коллекторного тока.

Е. Рассчитываются коэффициенты усиления, входные и выходные сопротивления каскада. Важными показателями каскада являются его коэффициенты усиления по току К_I, напряжению К_U, мощности К_P, а также входное R _вх и выходное R _вых сопротивления. Эти показатели определяются путем расчета усилительного каскада по переменному току. С этой целью составляется схема замещения усилительного каскада по переменному току. На рис. 1.4. представлена схема замещения каскада, в которой транзистор представлен его схемой замещения в h -параметрах. На схеме замещения обозначены: Е _г и R _г – напряжение и внутреннее сопротивление источника сигнала переменного тока.

Рис. 1.4 – Схема замещения усилительного

каскада с ОЭ в h -параметрах

Расчет каскада производится в области средних частот, в кото­рой зависимость параметров от частоты не учитывается, а сопротивления конденсаторов в схеме рис.1.3 равны нулю и в схеме рис. 1.4 не показаны. По переменному току сопротивление источника пи­тания равно нулю, поэтому верхние концы резисторов R ₁ и R ₂ на схеме замещения связаны с выводом эмиттера. Входной сигнал счи­тается синусоидальным. Токи и напряжения в схеме оцениваются их действующими значениями.

Входное сопротивление каскада R _bx равно сопротивлению па­раллельно соединенных резисторов R ₁ R ₂ и сопротивления r _вx = h ₁₁ входной цепи (r _эб) транзистора.

R _вx = R₁|| R₂ || r _вх

Входное сопротивление транзистора rвх определяется по вход­ной характеристике транзистора рис. 1.5 как дифференциальное сопротивление r эб транзистора в точке покоя П при токе базы рав­ном I 0б. Собственное входное сопротивление транзисто­ра в рабочей точке покоя определяется по входной характеристике как отношение при­ращения D UЭБ к приращению тока базы D Iб. Способ определения сопротивления показан на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Пример определения входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Выходное сопротивление каскада определяют относительно его выходных зажимов

R _вых = R _к || r _кэ,

где выходное (коллекторное) сопротивление транзистора r _кэ= 1/h₂₂ >> R_к, поэтому можно считать, что R _вых = R _к.

Коэффициент усиления каскада по току равен отношению тока нагрузки к входному току К _I = I _н / I _вх. Выразим ток I _н через I _вх. Для этого вначале определим ток базы транзистора I _б через I _вх

I _б = I _вх R _вх/ r _вх

Ток нагрузки I_н связан с током коллектора транзистора I _к соот­ношением

С учетом связи между токами базы и коллектора транзистора I _к = βI _б, находим ток, протекающий через нагрузку

Окончательно находим коэффициент усиления каскада по току

Из формулы видно, что K _I пропорционален коэффициенту усиления транзистора β и зависит от шунтирующего действия входного делителя R ₁, R ₂ и соотношения R _к и R _н.

Коэффициент усиления каскада по напряжению К_u = U _вых/ U _вх можно найти, выразив входные и выходные напряжения через вход­ные и выходные токи и входные и выходные сопротивления

И. Рассчитывается значение коэффициента нестабильности кас­када.

где S - коэффициент нестабильности каскада;

- эквивалентное сопротивление базы транзистора, равное параллельному соединению сопро­тивлений входного делителя;

β ₀ – коэффициент усиления транзистора по посто­янному току в точке покоя, определяемый как отношение тока покоя коллектора I_0К к току покоя базы I_0б : β ₀ = I_0к / I_0б .

Обычно считают, что если S Î[3¸5], нестабильность усили­тельного каскада по постоянному току удовлетворительная.

Очевидно, что для уменьшения S нужно увеличивать прини­маемый ток делителя и наоборот. Кроме того, указанную вели­чину в определенных пределах можно изменять и за счет вели­чины сопротивления в цепи эмиттера. Однако при этом следует стремиться к тому, чтобы R_Э > R.

К. Определяются емкости С1, С2, СЗ усилительного каскада. Величины емкостей конденсаторов С ₁ и С ₂ выбирают с таким расчетом, чтобы их реактивная емкость не вносила затухания в по­лезный сигнал, проходящий через них соответственно от источника сигнала на вход каскада и с выхода каскада к нагрузке.

Следовательно основой для выбора номинальных значений входной емкости С1, выходной С2 и емкости Сэ, шунтирующей сопротивление в цепи эмиттера, являются неравенства

x_Свх << R_вх; x_Свых << R_Н; x_Сэ << R_Э.

на заданной частоте усиливаемого сигнала переменного тока f. Можно принять, что емкостные сопротивления на частоте f со­ставляют 10 % от соответствующих активных сопротивлений.

Дата добавления: 2015-05-06