Резисторный усилительный каскад на транзисторе

Усилитель напряжения с резисторной нагрузкой, выполненный по схеме с общим эмиттером (рис. 4.24), является одним из наиболее распространенных типов усилителей, которые применяются в современных устройствах радиоэлектронной аппаратуры.

Такой усилитель имеет достаточно простую схему и малые габариты. Кроме того, его параметры и характеристики могут удовлетворять широкому кругу требований, предъявляемых к усилителям напряжения. Усилители напряжения данного типа, работающие, как правило, в режиме класса А, используются для усиления видеосигналов в достаточно большом диапазоне частот (от десятков герц до десятков мегагерц).

В рассматриваемой схеме резисторы R 1, R 2, R_э служат в основном для выбора исходного режима работы по постоянному току. Кроме того, через R_э осуществляется отрицательная обратная связь, стабилизирующая положение исходной рабочей точки при изменении температуры и смене транзистора. Следует отметить, что в данной схеме отрицательная обратная связь осуществляется только по постоянному току. Переменная составляющая протекает через конденсатор C_э, сопротивление которого существенно меньше сопротивления R_э. Резистор R_к (совместно с R_н) определяет, в основном, режим работы усилителя по переменному току. Назначение конденсаторов С_{р 1} и С_{р 2} подробно описано в п. 4.5.3.

Принцип работы рассматриваемого усилителя состоит в следующем. Пусть на вход усилителя через разделительный конденсатор С_{р 1} поступает положительная полуволна усиливаемого напряжения. Это напряжение, складываясь с напряжением делителя R 1, R 2, приводит к увеличению напряжения U_бэ. В результате сопротивление эмиттерного перехода уменьшается, а ток эмиттера I_э возрастает. В свою очередь, увеличение тока эмиттера I_э приводит к увеличению тока коллектора I_к и уменьшению сопротивления коллекторного перехода. Увеличившейся ток коллектора I_к, протекая через сопротивление R_к, создает на нем падение напряжения, которое во много раз больше напряжения, действующего на входе. Это напряжение через разделительный конденсатор С_{р 2}, подается на последующий каскад, или же выделяется на нагрузке.

Ниже, на примере усилителя низкой частоты графоанали-тическим методом, проведем анализ режима и рабочего процесса усилительного каскада.

При решении поставленной задачи будем считать известными номинал активного элемента – 2Т312А; сопротивление нагрузки R_н = 500 Ом; напряжение источника питания Е_п = 16 В; коэффициент усиления по напряжению К_U = 50; сопротивление источника колебаний R_ик = 400 Ом; ЭДС источника сигнала 0,1 В; минимальная частота гармоники входного сигнала F_мин = 1 МГц; максимальная частота гармоники входного сигнала F_мах = 3 МГц.

Сначала рассмотрим семейство выходных характеристик транзистора (рис. 4.25, а). Разрешенная область надежной работы ограничивается максимально допустимым током коллектора I_{к. max}, а также напряжением U_{кэ. max} на нем и рассеиваемой мощностью Р_{к. max}. Режим транзистора по постоянному току выбирают так, чтобы под действием максимального входного сигнала ни один из этих параметров не был превышен даже на короткое время.

Применительно к транзистору 2Т312А из справочника определяем I_{к. max} = 30 мА; U_{кэ. max} = 20 В и P_{к. max} = 225 мВт.

Линию максимально допустимой мощности строим, используя уравнение

.

Подставляя в него значения U_кэ, равные, например, 6, 8, 10, 12 и 14 В, получаем значения I_к, равные 37,5 мА; 28,1 мА; 22,5 мА; 18,8 мА; 16 мА соответственно. Построенная по этим точкам линия показана на рис. 4.25, а.

Исходный режим работы по постоянному току (исходную рабочую точку) выбираем из условия, что усилитель работает в режиме класса А. В этом случае необходимо учесть, что текущая рабочая точка не должна выходить из области безопасной работы (рис. 4.25, а), то есть Е_п – U^/_кэ > 2 U_{m. вых}, где U^/_кэ – напряжение, соответствующее изгибу выходной характеристики (рис. 4.25, а).

Поскольку требования экономичности для рассматриваемого усилителя не являются основными, то для гармонических входных сигналов целесообразно выбирать

.

Подставив известные значения в выражение, получаем

В.

Для определения второй координаты исходной рабочей точки воспользуемся входной динамической характеристикой, в качестве которой можно использовать статическую входную характеристику транзистора при U_кэ ¹ 0 (рис. 4.26).

Из анализа рис. 4.25, а видно, что максимальный ток базы I_{б max} не превышает значения 0,5 мА. Тогда, ограничиваясь величиной I_{б max} сверху, определяем на входной характеристике линейный участок АВ. Центр отрезка АВ точка С определяет значение I_{б ИРТ}, а также напряжение U_{эб ИРТ}:

I_{б ИРТ} = 0,3 мА; U_{эб ИРТ} = 0,81 В.

После этого в плоскости выходных статических характеристик выбирается выходная характеристика, снятая при I_{б ИРТ} = 0,3 мА. В случае, если такой характеристики в справочнике не приводится, ее необходимо интерполировать самостоятельно. Пересечение выбранной кривой с перпендикуляром, восстановленным из точки U_{кэ ИРТ}, определяет положение исходной рабочей точки на статических выходных характеристиках.

Рассмотренный выше способ выбора исходной рабочей точки (через определение I_{б ИРТ}, U_{эб ИРТ}, I_{к ИРТ}, U_{кэ ИРТ}) позволяет получить усиление с минимумом нелинейных искажений.

По полученному значению исходной рабочей точки, используя выражения (3.53) и (3.56), определим величину входного сопротивления транзистора h _{11 э} и коэффициент усиления по току h _{21 э} транзистора, а также величину мощности, рассеиваемой на его коллекторе

Ом, ,

Р_к = I_{к ИРТ} × U_{кэ ИРТ} = 15 × 10^-3 × 8,1 = 122 мВт.

При этом должно выполняться условие Р_к < Р_{к max}, 122 мВт < 225 мВт.

Прямая, проведенная через исходную рабочую точку, представляет собой нагрузочную прямую по постоянному току (п. 4.5.1). По полученной нагрузочной прямой строится выходная динамическая характеристика (рис. 4.25, б), позволяющая проверить линейность преобразования I_к = f(I_б) на выбранном участке изменений входного тока I_{б min} … I_{б max}.

Если рассматриваемый участок входной динамической характеристики является нелинейным, то необходимо провести коррекцию положения исходной рабочей точки на входной динамической характеристике.

Из уравнения нагрузочной прямой

можно получить

Ом. (4.33)

Используя точные значения h параметров, определим величину сопротивления в цепи коллектора R_к, позволяющую реализовать требуемый коэффициент усиления по току h _{21 э} транзистора, а также величину мощности, рассеиваемой на его коллекторе

Ом.

Используя ряд стандартных значений Е-24, определим требуемую величину сопротивления резистора , равную 430 Ом.

Принимая во внимание электрический запас по прочности, определим мощность, выделяемую на R_к:

P_{рас Rк} = I_к ² _max = (30×10^-3)² × 430 = 0,387 Вт.

Из ряда стандартных значений мощностей, выбираем P_{max Rк}, равную 0,5 Вт.

На основе полученных расчетных данных, в справочнике находим резисторы с металлоэлектрическим проводящим слоем, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа типа С2-33Н, С2-33, С2-23, МЛТ, ОМЛТ, МТ, P1-7 и Р1-4.

Учитывая, что элементы, устанавливаемые на борту летательного аппарата, должны иметь минимальную массу, из всей совокупности резисторов выбираем тот, который при требуемом значении мощности 0,5 Вт имеет самый меньший вес. Таким резистором является резистор Р1-4.

Применительно к выбранному резистору определим допустимое отклонение от номинального значения. Допустимое отклонение следует выбирать из двух условий. Во-первых, из допустимых значений, которые выпускает промышленность и, во-вторых, на основе того, на сколько отличается рассчитанное значение номинального сопротивления от выбранного. Так рассчитанное значение резистора R_к отличается от выбранного на 2%. Следовательно, допустимое отклонение должно составлять 2%. Однако промышленность выпускает резисторы типа Р1-4 только с допустимым отклонением 5%.

Уровень собственных шумов определяется также с помощью справочника. Из него следует, что для выбранного типа резистора существуют две группы 1мкВ/В и 5мкВ/В. Чем меньше шумов создает резистор, тем он соответственно дороже. Группу по уровню шумов следует выбирать с учетом назначения рассчитываемого каскада. Если шумы, наводимые каскадом, больше, чем шумы обрабатываемого сигнала, то следует выбирать резисторы самой малошумящей группы. Таким образом, на основе проведенных рассуждений, получаем

P1 – 4 – 0,5 – 430 ± 5 % – 5мкВ/В – Б – В.

Величину сопротивления в цепи эмиттера найдем из (4.33):

Ом.

Из ряда Е-24 выбираем = 100 Ом.

Поскольку ток I_{э max} = I_{к max} + I_{б max} получаем:

P_{рас. Rэ} = I_к² _max = (30×10^-3 + 0,8×10^-3)² × 100 = 0,095 Вт.

Из ряда стандартных значений мощностей, выбираем P_{max Rэ}, наиболее близкую к расчетной, то есть 0,125 Вт.

По справочнику выбираем резистор типа

С2 – 12 – 0,125 – 56 ± 1 % 5 мкВ/В – В – В.

Величина емкости конденсатора С_э, предотвращающего отрицательную обратную связь по переменному току, выбирается из условия

,

.

Отсюда

нФ.

Из ряда Е-24 определяем емкость , равную 16 нФ.

Поскольку емкость С_э предназначена для шунтирования резистора R_э по высокой частоте, то падение напряжения на ней будет достаточно малым. Исходя из этого, выбираем керамический монолитный конденсатор с первым классом допуска, предназначенный для использования в высокочастотных фильтрах, колебательных контурах и цепях термокомпенсации

КМ-5б-М47-16 нФ±5 %.

При выборе величин сопротивлений R 1 и R 2 воспользуемся рассуждениями, приведенными в п. 4.5.3:

Ом.

Из ряда Е-24 определяем R 1 ^{Е 24} = 8,2 кОм:

Ом.

Аналогично предыдущему принимаем R 2 ^{Е 24}, равный 510 Ом.

Мощность, выделяемая на каждом из резисторов:

P_{рас. R 1} = I_д ² × R 1 ^{Е 24}= (1,5×10^-3)²×8,2×10³ = 0,018 Вт.

P_{рас. R 2} = I_д ² × R 2 ^{Е 24}= (1,5×10^-3)²×510 = 0,001 Вт.

Из справочника для R 1 и R 2 выбираем изолированные резисторы с металлооксидным проводящим слоем, предназначенные для работы в высокочастотных электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа:

С2 – 29 – 0,062 – 8,2 кОм ± 1 % 1 мкВ/В – А – В;

С2 – 29 – 0,062 – 510 Ом ± 1 % 1 мкВ/В – А – В.

Влияние усилителя на предыдущие и последующие цепи определяется величинами его входного и выходного сопротивлений, рассчитанных с учетом входных и выходных цепей:

, , (4.34)

где , – выходная проводимость.

Подставляя известные значения в (4.34), получаем

Ом; Ом;

См; Ом.

Зная величины R_вх и R_ик можно уточнить величину входного напряжения u^/_вх, непосредственно воздействующего на вход усилителя:

, (4.35)

где е_с – ЭДС источника сигнала.

Подставив в выражение (4.35) значения, получаем

В.

После определения u^/_вх на входной статической характеристике (рис. 4.26), необходимо определить новые значения базового тока I ^/ _бmax и I ^/ _{б min}.

При наличии на входе усилителя входного синусоидального сигнала I_к и напряжения на коллекторе U_кэ помимо постоянных составляющих I_{к ИРТ} и U_{кэ ИРТ} имеют переменные составляющие i_к и u_кэ:

I_к = I_{к ИРТ} + i_к; (4.36)

U_кэ = U_{кэ ИРТ} – u_кэ. (4.37)

Знак «минус» в (4.37) свидетельствует о том, что переменные составляющие I_к и напряжения на коллекторе U_кэ изменяются в противофазе. Действительно, увеличение коллекторного тока вызывает увеличение падения напряжения на нагрузке :

, (4.38)

что приводит к снижению напряжения U_кэ:

u_кэ = i_к . (4.39)

Решая совместно (4.36), (4.37) и (4.39), получаем

. (4.40)

Выражение (4.40) является уравнением нагрузочной прямой для переменной составляющей коллекторного тока. Из него следует, что при u_кэ = U_{кэ ИРТ} ток i_к = I_{к ИРТ}. Таким образом, нагрузочная прямая по переменному току проходит через исходную рабочую точку и для ее построения достаточно найти еще одну точку на оси ординат или абсцисс. Так, заменив полные значения I_к и U_кэ текущими статическими значениями и приравняв U_кэ нулю, из (4.40) получим

. (4.41)

Подставив в (4.38) и (4.41) известные значения, получим

Ом,

А.

Отложив на оси ординат значение тока и проведя через данную точку и исходную рабочую точку прямую до пересечения с осью абсцисс, получим нагрузочную прямую по переменному току.

Проекции точек пересечения нагрузочной прямой по переменному току и характеристик соответствующих I_{б min} и I_{б max} определяют амплитуду выходного напряжения усилителя U _{m вых} = 2,5 В.

Емкости конденсаторов С_{р 1} и С_{р 2} выбираются из условия:

нФ,

нФ.

Принимая = 3,9 нФ, = 6,8 нФ из справочника, выбираем керамические дисковые конденсаторы круглой формы, используемые для обеспечения емкостной связи между каскадами:

С_{р 1}: К10У – 5 – 25 В – 3,9 нФ – 20 % + 50 % – Н20 – В,

С_{р 2}: К10У – 5 – 10 В – 6,8 нФ – 20 % + 50 % – Н50 – В.

На этом расчет резистивного усилителя закончен.

Дата добавления: 2015-10-28