Основы расчета резистивного усилительного каскада на биполярном транзисторе

В учебных рабочих программах вышеупомянутых дисциплин по элек-тронной и информационно-измерительной технике запланированы домашние задания в виде расчетно-графических и курсовых работ (проектов), выполня-емых студентами в рамках самостоятельной работы. Целью таких работ яв-ляется формирование навыков самостоятельного расчета узлов электронной аппаратуры, подготовки к инженерному конструированию и разработке новой техники. В работе [21] содержится достаточно исчерпывающий мате-риал по выполнению таких работ, однако ограничения в объеме плановых учебных изданий не позволили включить некоторый основополагающий материал, относящийся к расчету отдельных каскадов и узлов различной усилительной аппаратуры, хотя практически в каждой радиоэлектронной аппаратуре есть элементы и узлы, выполняющие усилительную функцию

в широком диапазоне сигналов различной формы и амплитуды.

В настоящем учебном пособии в качестве дополнения к работе [21] дан материал по основам расчета резистивного усилительного каскада на бипо-лярном транзисторе (БПТ). Чтобы не усложнять работу студентов и сокра-тить объем данного раздела, методика расчета дается применительно к одному БПТ типа 1Т313Б, так как для усилительных каскадов с другими аналогичными транзисторами основы расчета идентичные. Варианты для расчета предусматривают определение основных усилительных параметров схемы. Ниже дается методика расчета и варианты для его выполнения.

1. 1. Методика расчета

Любой расчет транзисторного каскада сводится к следующему.

1. К выбору транзистора по заданной мощности в нагрузке или максимальной в ней амплитуде напряжения выходного сигнала.

2. Построению линии нагрузки (нагрузочной прямой – НП) в соответствии с заданными сопротивлением нагрузки в цепи коллектора и напряжении на коллекторе Е_к , а также выбору рабочей точки на НП, обеспечивающей выходную мощность или амплитуду напряжения сигнала при минимальных искажениях.

3. Расчету схемы смещения (резисторов R₁, R_2, R_э ), обеспечивающей работу усилителя в выбранной рабочей точке и её термостабилизацию для предотвращения теплового ухода при нагреве транзистора.

4. Расчету основных динамических параметров (коэффициентов усиления по току, напряжению или мощности, входного и выходного сопротивлений, коэффициента нелинейных искажений и других параметров).

1. 2. Пример расчета.

Пусть требуется получить в нагрузке R_н=1,2 кОм маломощного каскада на биполярном транзисторе (БПТ) в схеме с ОЭ (рис.1) мощность выходного сигнала P_~н = 1,2 мВт при Е_к = 9 В и коэффициенте стабилизации К_ст = 6, обеспечивающем стабильность рабочей точки при нагревании транзистора в процессе работы.

Расчет осуществляем в следующей последовательности.

1. Выбирается транзистор на более высокую мощность рассеяния на коллекторе по сравнению с требуемой P_~н = 1,2 мВт:

Р_{к макс} ≥ (5 ÷ 10)P_~н (1)

Выбираем маломощный БПТ типа 1Т313Б, у которого Р_{к макс} > 10 P_~н = 120 мВт.

2. В соответствии с заданными R_н, P_~н и Е_к на семействе выходных статических ха-рактеристик I_к = ƒ(U_кэ) строится НП. При этом учитывается наличие в коллекторной цепи резисторов R_к и R_н, а в эмиттерной – R_э.

Ход нагрузочной прямой и её наклон определяются величинами:

Е_к = 9 В и R_о = R_{н. экв} + R_э = R_к · R_н/(R_к + R_н) + R_э (2)

Так как заданным является R_н, а не R_о, определяющее координату I_к = Е_к / R_о, то из координаты абсциссы Е_к = 9 В проводим НП произвольно, задавшись I_к = 6 мА так, чтобы точка её пересечения с ординатой оказалась ниже выходной характеристики, снятой при максимальном токе базы I_{б макс} = 160 мкА (рис.1в).

3. На линии нагрузки БПТ выбираем рабочую точку посередине НП, чтобы равным отклонениям тока базы (ΔI_б = 40 – 80 – 120 мкА) соответствовали равные отрезки НП, что гарантирует минимальные нелинейные искажения формы выходного сигнала:

U_ко = 4,39 В; I_ко = 3,0 мА; I_бо = 80 мкА

Выбранная рабочая точка обеспечивает динамический режим БПТ (т.н. линейный режим класса А), при котором изменения входного сигнала ΔI_вх = ΔI_б = 80 ± 40 мкА и ΔU_вх = ΔU_бэ = 0,45 ± 0,05 В (амплитуды I_б = 40 мкА и U_бэ = 0,05 В) вызывают соответствующие изменения выходного сигнала ΔI_вых = ΔI_к = 3,0 ± 1,8 мА и ΔU_вых = ΔU_кэ = 4,4 ± ±2,7 В (амплитуды I_к = 1,8 мА и U_кэ = 2,7 В).

4. Проверяем получение требуемой мощности по формуле:

P_~н = (U_{к макс} – U_{к мин}) · (I_{к макс} – I_{к мин})/8=∆U_кэ·∆I_к/8 = 5,4·3,6·10^-3/ 8 = 2,43 мВт, (3)

что с достаточным запасом удовлетворяет условиям задания.

5. Коэффициент нелинейных искажений не должен превышать 5-10%:

, (4)

то есть искажения практически отсутствуют.

6. Находим элементы схемы, определяющие выбранный режим.

Дата добавления: 2015-12-07