Расчет усилительного каскада по постоянному току.

ГЛАВА 1.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах.

Усилительный каскад с общим эмиттером.

Принципиальная полная схема резисторного усилителя на биполярном транзисторе показана на рис. 1.1.

Рис.1.1

Рассмотрим назначение всех элементов, образующих схему каскада. Резисторы R1, R2, Rэ, Rк обеспечивают работу транзистора в выбранном режиме по постоянному току. Резистор Rэ и делитель R1, R2 составляют цепь отрицательной обратной связи, предназначенную для стабилизации рабочей точки транзистора по температуре и разбросу параметров. Включение резистора Rэ в цепь эмиттера изменяет работу каскада и при усилении переменного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на резисторе Rэ падение напряжения uэ=iэRэ, которое уменьшаетусиливаемое напряжение, подводимое к базе, ведь uбэ=uвх-uэ. При этом снижается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует отрицательная обратная связь по переменному току. Для ее исключения резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ достаточно большой емкости. Конденсаторы С1 и С2 препятствуют передаче постоянной составляющей как в цепь источника сигнала, так и в нагрузку. В качестве нагрузки может выступать последующий усилительный каскад, тогда роль Rн и Cн играют входное активное сопротивление и входная емкость этого каскада.

Расчет усилительного каскада по постоянному току.

Будем считать заданными режимные величины IэIк, Uкэ, Uбэ, Iб. Из параметров транзистора следует знать (h21э), его зависимость от температуры и величину разброса; входное сопротивление транзистора в рабочей точке h11э.Наконец должны быть заданы рабочий диапазон температуры и либо допустимый сдвиг рабочей точки в этом диапазоне (Iк.доп или Iк.доп/Iк). либо коэффициент нестабильности S.

рис.1.2

На рис. 1.2 схема усилительного каскада, позволяющая производить расчет основных параметров усилительного каскада R1, R2, Rэ, Rк, обеспечивающих положение рабочей точки и ее стабилизацию по температуре и разбросу параметров. Запишем основные уравнения, используя схему, представленную на рис1.2.

(1.1).

(1.2).

(1.3) .

(1.4).

На рабочий ток транзистора, а значит, и на стабильность рабочей точки влияют следующие основные причины: тепловой ток Iк0, напряжение на эмиттерном переходе Uэб и интегральный коэффициент передачи тока . Полное приращение коллекторного тока определяется как

(1.5),

где - коэффициент нестабильности (1.6);

- коэффициент токораспределения, показывающий какая часть тока Iк ответвляется в базу.

Очевидно, что приращение Iк будет тем меньше, чем меньше коэффициент нестабильности S. Из формулы (1.6) видно, что для получения максимальной стабильности нужно стремиться к выполнению условия б 1 или вытекающего из него неравенства Rэ>>Rб. Это условие служит надежным ориентиром при проектировании стабильных транзисторных каскадов, однако выполнение его не всегда возможно и необходимо. Часто вполне удовлетворительные результаты дают значения Rэ/Rб=0,5-1, которым соответствует S=2-5.

При выполнении условия >>б , откуда

Rб=(S-1)Rэ (1.7).

Решая совместно уравнения (1.5) и (1.7.), получим формулу для определения Rэ

. (1.8)

Введем обозначения:

, (1.9)

. (1.10)

Тогда

. (1.11)

Используя выражения (1.1) и (1.10), получим формулу для определения Rк

. (1.12)

Применение формулы (1.11), требует определенных ограничений на выбор Ік . Потенциал базы фиксируется с помощью делителя напряжения R1,R2, которые по переменному току включены параллельно входу каскада. Уменьшение R1,R2 уменьшает входное сопротивление каскада, а, следовательно, уменьшает коэффициент усиления усилителя. Поэтому желательно выполнять соотношение Rб >h11э. Используя соотношения (1.7) и (1.11). получаем первое ограничение на выбор Ік .:

. (1.13)

С другой стороны, очевидно, что Rк>0. Используя соотношения (1.11) и (1.12), получаем второе ограничение н а выбор Ік:

. (1.14)

Таким образом получаем общие границы выбора Ік:

. (1.15)

До сих пор мы использовали приращения Ік0, Uэб, , не оговаривая, какими причинами они обусловлены: разбросом параметров от транзистора к транзистору, временной «ползучестью» или температурным дрейфом. На практике чаще всего приходится учитывать влияние температуры, а для - разброс параметров. Зная температурный диапазон, можно рассчитать величины Ік0, Uэб соответственно по формулам:

, где . (1.16)

(1.17)

В эти формулах з – ширина запрещенной зоны: для германия з=0,67В, для кремния з=1,11В; q – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; - температурный коэффициент напряжения.