Расчёт параметров транзистора

В основном класс А использу-ется в каскадах предварительного

усиления.

Класс B– режим, при котором

напряжение в выходной цепи из-меняется в течении приблизительно

половины периода входного сигнала

(рис. 1.17,в), т. е. входной  сигнал

является переменным

5

и происхо-дит потеря половины его периода.

При анализе режимов работы усилителей удобно использовать

угол отсечкиθ– половина угла, соответствующего участку периода,

на котором не происходит изменение выходного сигнала. Для каска-да, работающего в идеальном режиме В, величина угла отсечки равна

π/2. В этом случае величина постоянной составляющей равна нулю,

а КПД может достигать  величины η= 0,8. Нелинейные искажения

имеют сравнительно небольшую  величину и в основном сконцентри-рованы в области нулевого значения входного и выходного сигналов.

Это связано с нелинейном характером начальных участков входных и

выходных характеристик  транзистора.

Класс B получил широкое  распространение в двухтактных  уси-лительных каскадах

6

, однако идеальный класс В (θ =π/2) приме-5

Переменныйсигнал меняется как по величине, так и по знаку.

6

В двухтактном усилительном каскаде имеется два усилительных элемента, каждый из

которых усиливает напряжение одной из полярностей, они позволяют  обеспечить изменение

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ) 21

няется редко, наибольшее распространение получил промежуточный

Класс АВ7

, при котором угол отсечки несколько больше π/2, то есть к

входному напряжению прибавляется постоянная составляющая, вели-чина которой  составляет5. . .15%от максимального входного напря-жения. Наличие постоянной составляющей такой величины позволят

выйти из нелинейного участка  в начале входных и выходных харак-теристик транзистора.

Класс С– режим, при котором  напряжение в выходной цепи из-меняется в течении времени значительно меньшего половины периода

входного сигнала (рис.1.17,г), т. е. 0<θ<π/2. Этот класс характе-ризуется высоким КПД и сильными нелинейными искажениями. Свое

применение он нашел в  избирательных усилителях и автогенераторах,

для работы которых достаточно наличия нулевой гармоники.

Помимо аналоговых классов  усилителей, имеется импульсный

Класс D, который характеризуется  наличием только двух уровней

выходного напряжения (максимальное и нулевое), то есть транзистор

работает в ключевом режиме –– либо полностью открыт, либо полно-стью закрыт. Подобные усилители широко применяются в импульс-ной технике, отличаются высоким КПД и малыми нелинейными ис-кажениям. Сигналы, которые усиливаются ими, используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), при которой информация кодируется

длительностью импульса.

В нашей работе мы рассматриваем  усилительный каскад работа-ющий в классе A. Рабочая точка такого каскада выбирается между

точкамисиdнагрузочной характеристики так, чтобы входной и вы-ходной сигнал всегда находились на линейных участках характери-стик транзистора. На рис.1.18показано положение рабочей точки на

выходной характеристике транзистора. Здесь точка Aсоответствует

рабочей точке, точка a–– минимальному, а точка b–– максимально-му уровню выходного сигнала. Точкиaиbвыбираются на линейных

участках входных и выходных характеристик транзистора.

Рабочая точка выбирается на середине отрезкаab.

Положение рабочей точки, а следовательно и класс усилителя,

выходного напряжения в течении всего периода входного. Недостатком подобных каскадов

является невозможность  найти два абсолютно одинаковых транзистора, что приводит к

искажениям в местах соединения разнополярных полупериодов на выходе усилителя.

7

На практике часто режим  АВ обозначается как режим В, что не всегда особо оговари-вается.

22 1. Теоретическое введение

определяется величиной  и знаком постоянного напряженияUБЭ0, для

создания которого используется делитель напряженияR1R2(рис.1.19).

Рис. 1.18.Рабочая точка на

выходных характеристиках

транзистора

Значения сопротивлений  резисторов

R1 иR2 определяются следующими  вы-ражениями:

R1=

EК−UБЭ0

IД+IБ0

R2=

UБЭ0

IД+IБ0

ЗдесьUБЭ0иIБ0соответствуют  поло-жению рабочей точки на входной харак-теристики и определяются с помощью

графических построений на входных  ха-рактеристиках транзистора,IД–– ток де-лителя, протекающий через резисторыR1R2. Для повышения стабиль-ности напряжения смещения желательно чтобы величинаIДбыла до-статочно высокой, однако высокое значение IДведёт к росту потре-бляемой мощности от источника питания и, как следствие, снижению

КПД потому значениеIДвыбирается в пределах:

IД= (2. . .5)IБ0.

При расчёте резисторовR1 иR2 мы предполагаем, что постоян-ная составляющая входного сигнала равна нулю, однако, в реальных

схемах это предположение  зачастую не верно, и для её удаления во

входном сигнале перед делителем ставится разделительный конденса-торCР1, а для удаления постоянной составляющей, созданной делите-лемR1R2–– конденсатор CР2 на выходе.

Помимо подавления постоянной составляющей, разделительные

конденсаторы оказывают  воздействие и на переменную: подавляют

переменную составляющую (несущую полезный сигнал) на нижних

частотах и смещают фазы выходного сигнала. Подавление перемен-ного сигнала на нижних частотах связано с характером емкостного

сопротивленияXC= 1/ωC, где ω= 2πf–– круговая частота, в резуль-тате коэффициент усиления на частотах от0доfНоказывается мал и

приf →0также стремится к нулю. Этим объясняется провал АЧХ на

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ) 23

нижних частотах у усилителей, в которых используются конденсато-ры. В рассматриваемой схеме воздействие конденсаторов на разность

фаз между напряжением  и током, в связи с малыми значениями ем-костей конденсаторов, незначительно и мы им можем пренебречь.

Рис. 1.19.Усилительной

каскад с ОЭ и делителем

напряженияR1R2

Ёмкость конденсатораCр1 рассчиты-вается исходя из того, что его емкостное

сопротивление на нижней частоте  должно

быть много меньше входного сопротивле-ния каскада:

1

2πfНCР1

RВхК

В обычных расчётах достаточно что-бы XCР1

не превышало 10% от входного

сопротивления:

1

2πfНCР1

≤0,1RВхК

Отсюда

CР1≥

10

2πfНRВхК

, Ф,

или, дляCр1, выраженного в микрофарадах:

CР1≥

10

2πfНRВхК

10

6

, мкФ.

Входное сопротивление каскадаRВхК, равно сумме сопротивлений

базы и входного сопротивления  транзистора:

RВхК=

RБRВхТ

RБ+RВхТ

,

а сопротивление базы —  сумме сопротивленийR1R2 делителя, также

включённых параллельно:

RБ=

R1R2

R1+R2

.

ВеличинаRБ, во избежании шунтирующего действия по отношению

к входному сопротивлению  транзистора, должна быть в пределах

24 1. Теоретическое введение

RБ=R1kR2= (2. . .5)RВхТ.

Аналогично рассчитывается ёмкость разделительного конденса-тора на выходе каскада, только расчёт ведётся с учётом не входного

сопротивления каскада, а  сопротивления нагрузки:

CР2≥

10

2πfНRН

10

6

, мкФ.

1.2.4. Термостабилизация усилительного каскада

Важной особенностью полупроводников  является сильная зависи-мость коэффициента усиления от температуры, например напряжение

UБЭизменяется на2. . .2,5мВ на 1 градус, аIКБудваивается при из-менении температуры на5. . .7

◦

С для кремниевых и8. . .10

◦

С для

германиевых транзисторов [4]. Подобные изменения приводят к сме-щению рабочей точки и появлению нелинейных искажений.

Для компенсации воздействия  температуры в схему усилительных

каскадов вводят цепи термостабилизации, принцип действия которых

основан на механизме обратных связей.

Обратная связь(ОС) –– воздействие выходной цепи на входную,

когда часть выходного  сигнала подаётся на вход.

Различаютположительную обратную связь(ПОС), когда вы-ходной сигнал складывается с входным (фазы сигналов совпадают)

иотрицательную обратную связь(ООС), когда выходной сигнал

вычитается из входного (сигналы находятся в противофазе).

В усилителях широко применяются  ООС с целью увеличения ста-бильности работы усилителя и уменьшения нелинейных искажений,

однако следует учитывать, что ООС снижает коэффициент  усиления

каскада. ПОС применяются, в основном, в генераторах, в усилителях

они приводят ксамовозбуждению–– неконтролируемому росту коэф-фициента усиления. В усилительных каскадах ПОС обычно являют-сяпаразитными–– самопроизвольно возникающие ОС, являющиеся

ошибками проектирования.

В усилительных каскадах с  общим эмиттером, обычно, термоста-билизация осуществляется путем создания ООС на базе резистораRЭ

(рис.1.20).

Рассмотрим термостабилизацию усилительного каскада с ОЭ бо-лее подробно.

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ) 25

Рис. 1.20.Термостабилизация

усилительного каскада с  ОЭ

Рис. 1.21.Принцип

термостабилизации

усилительного каскада с  ОЭ

При отсутствии входного сиг-нала, напряжение между базой и

эмиттером определяется по II закону

Кирхгофа:

UБЭ0=U20−UЭ0

где U20 =I20R2, UЭ0 =IЭ0RЭ паде-ние напряжения на резисторахR2 и

RЭсоответственно.

При повышении температуры,

возрастает концентрация основных

носителей заряда и увеличиваются

токи базы и коллектора, что приво-дит к увеличениюUБЭ и, как след-ствие, смещению 22рабочей точки. В

результате увеличения IЭ возрастает

величина падения напряженияUЭ0 =

=IЭ0RЭ, а разность UБЭ0 =U20−UЭ0

уменьшается (рис.1.21), в результате

чего рабочая точка  смещается в ис-ходное положение.

При снижении температуры  про-исходит обратный процесс –– концентрация носителей заряда (в ре-зультате рекомбинации), токи базы и коллектора уменьшаются, что

приводит к уменьшениюUБЭ. В результате уменьшения IЭ уменьша-ется и UЭ0 =IЭ0RЭ, а разность UБЭ0 =U20−UЭ0 увеличивается, в

результате чего рабочая точка смещается в исходное положение.

Помимо стабилизации рабочей  точки,RЭ оказывают серьёзное

воздействие на работу усилительного  каскада.

Во первых, резисторRЭнаходится в цепи коллектор–эммитер, и

участвует в формировании нагрузочной характеристики:

EК=UКЭ0+IR0(RК+RЭ).

При выборе величины сопротивленияRЭ, необходимо учитывать

два взаимоисключающих фактора:

1. Термостабилизация осуществляется тем лучше, чем выше глу-бина обратной связи (т. е., чем выше ток делителя IДи выше

сопротивлениеRЭ).

26 1. Теоретическое введение

2. Чем выше величина  сопротивленияRЭ, тем больше на нём про-исходит падение напряжения и тем ниже КПД каскада.

Для уменьшения воздействия  на нагрузочную характеристикуRЭ

выбирается равным1. . .2В, что для биполярных транзисторов соот-ветствует10. . .30 %отEК:

RЭIЭ= (0,1. . .0,3)EК,

что равносильно выбору

RЭ= (0,05. . .0,15)RК

в согласованном режиме работы транзистора.

В связи с тем, чтоRЭучаствует в формировании нагрузочной ха-рактеристики, её, после определенияRЭ, необходимо скорректировать.

Во вторых, наRЭпроисходит падение переменной составляющей

выходного напряжения (которая и является полезным выходным сиг-налом) что приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Для нейтрализации воздействияRЭ на выходной сигнал парал-лельно ему ставится шунтирующий

8

конденсаторCЭ, что приводит к

тому, что переменная составляющая сигнала практически без потерь

проходит через конденсатор (т. к. сопротивление конденсатора с  ро-стом частоты резко уменьшается).

Для того, чтобы конденсаторCЭосуществлял шунтирование рези-стораRЭ, необходимо, чтобы емкостное сопротивление XCЭконденса-тора было значительно нижеRЭна всём диапазоне частот, на которых

работает усилительный каскад. Величина емкостного сопротивления

обратно пропорциональна частоте и с ростом частоты уменьшается.

Следовательно, при определении  величины ёмкостиCЭнам необходи-мо ориентироваться на наименьшую рабочую частоту каскада, кото-рой является нижняя граничная частотаfН. Обычно достаточно, чтобы

сопротивлениеXCЭ

наfНбыло в5. . .10раз меньшеRЭ:

RЭ= (5. . .10)XCЭ

ОтсюдаCЭ, в микрофарадах, равно:

CЭ=

10

7

(1. . .2)2πfНRЭ

, мкФ.

8Шунт–– элемент, сопротивление которого, в заданном диапазоне частот, значительно

меньше сопротивления  шунтируемого элемента, к которому шунт включается параллельно

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ) 27

1.2.5. Графоаналитический метод  расчёта усилительного

каскада

При расчёте графоаналитическим методом часть характеристик

каскада находится аналитически, путём вычисления по известных вы-ражениям, а другая –– на основе графических построений, образец ко-торых приведён на рис.1.22.

Для определения характеристик  каскада с помощью графических

построений необходимо взять  из справочника входные и выходные ха-рактеристики выбранного транзистора и расположить их как показа-но на рис.1.22(обратите внимание –– входная характеристика берётся

только дляUКЭ= 5В и поворачивается на90

◦

против часовой стрел-ки), после чего строятся оси для переходной характеристики (IК(IБ)).

На выходных характеристиках  выделяется рабочая область, огра-ниченная максимальными током(IКmax), напряжением (UКЭmax)и мощ-ностью(PКmax), а затем строится нагрузочная линия cd, на которой

выбираются точкиaиb, посередине между которыми находится ра-бочая точкаA. Участок нагрузочной линии cdмежду точкамиaиb

Рис. 1.22.Графоаналитический метод расчёта

28 1. Теоретическое введение

не должен пересекать ограничительные  линии максимальных значе-ний, кроме того, отрезокabдолжен находится на линейных участках

выходных характеристик.

На входной характеристике отмечаются точки, соответствующие