Методика расчета транзисторного усилителя

Практические рекомендации

Допустим, заданы технические условия и характеристики на проектирование маломощного низкочастотного усилителя, а именно:

U_{m вх}, мВ – амплитудное значение сигнала источника;

U_{m вых}, В – амплитудное значение напряжения на выходе усилителя;

R_н, кОм – сопротивление в цепи нагрузки усилителя;

f_н f_в,кГц – диапазон усиливаемых частот;

М_в = М_н = 1,18 – коэффициент частотных искажений;

t^o_окр,^оС – рабочая температура усилителя;

Е_к, В – напряжение источника постоянного напряжения в цепи коллектора;

R_и – внутреннее сопротивления источника сигнала (внутреннее сопротивление генератора).

Может быть и такой вариант, когда задан требуемый коэффициент усиления по напряжению при известных параметрах источника сигнала.

В начале проектирования можно предположить, что усилитель низких частот будет реализован по трехкаскадной схеме. Для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов К = К₁× К₂ ×...×К_n.

Связь между каскадами будет осуществляться при помощи разделительных конденса­торов, чтобы предотвратить влияние по постоянному току одного каскада на другой.

Для первого каскада наиболее применимой на практике в усилителях низкой частоты малой мощности является схема с общим эмиттером, представленная на рис. 12.

Рис. 12. Схема каскада усиления с общим эмиттером

Расчет схем усилителей является итерационным процессом, т.е., после расчета всего тракта усиления и оценки, например, общего коэффициента усиления может появиться необходимость пересчета некоторых каскадов. Расчет может вестись с конечного каскада, когда задана мощность на выходе усилителя и параметры нагрузки, а можно начинать расчет с первого каскада, когда заданы параметры датчика (внутреннее сопротивление датчика - источника сигнала R_г, его выходной сигнал Е_и) и при этом необходимо обеспечить заданный коэффициент усиления или амплитуду выходного напряжения и другие характеристики усиления.

Есть специальные схемные решения усилителей, когда требуется обеспечить усиление крайне малых амплитуд входного сигнала, соизмеримого с уровнем шума усилителя. В этом случае используются «низкошумящие» биполярные транзисторы или полевые транзисторы.

Расчет первого каскада, который является предварительным, можно осуществить аналитически или графо-аналитически, используя вольт-амперные характеристики транзистора. Для каскадов предварительного усиления рекомендуется аналитический расчет, а для мощного усилителя - графоаналитический метод. Ниже, в качестве примера, будут показаны оба метода.

Расчет каскада усилителя выполняется, как правило, в три этапа:

1) оценка предельных параметров работы каскада и выбор транзистора,

2) расчет по постоянному току и

3) расчет по переменному току.

Оценка предельных параметров и выбор транзистора

К предельным параметрам транзистора относятся: максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, которое выбирается из соотношения U_кэмах = 1,2Е _к. Так как токи в коллекторной цепи усилителей малой мощности довольно низкие (рекомендуется выбирать ток коллектора в пределах от 1 мА до 3 мА), выбор транзистора осуществляют по двум параметрам: напряжению U_кэмах и максимальной частоте f_м. При этом желательно выбрать транзистор типа n-p-n с большим статическим коэффициентом усиления по току h_21э. В справочнике приводятся минимальное и максимальное значения этого коэффициента - выбирают минимальное значение.

Расчет по постоянному току

Режим по постоянному току транзистора определяет все технико-экономические параметры усилителя. В первую очередь, выбирают рабочие точки по току и напряжению входной и выходной (коллекторной) цепи транзистора. Режим постоянного тока обеспечивается сопротивлениями: R_б1, R_б2, R_э, R_к, которые необходимо найти. В некоторых случаях R_к может быть задано.

На рис. 13 и 14 показана процедура использования входной и выходной характеристик транзистора.

Рабочий режим по постоянному току отмечен (выбран) на входной и выходной характеристиках точкой П. Этой точке соответствует постоянный ток базы транзистора – I_бп и напряжение между базой и эмиттером – U_бэп. На рис. 13 показано, что рабочая точка выбрана таким образом, что при возможном максимальном уровне напряжения источника сигнала равном U_иmax, напряжение U_бэ = U_бэп – U_иmax > 0,7 В, т.е. в любом случае будет использован сравнительно линейный участок входной характеристики. На семействе выходных характеристик (см. рис. 14) рабочий ток покоя коллектора будет равен I_кп = h_21э×I_бп и может быть отмечен точкой на ординате коллекторного тока I_кп. Если из этой точки провести горизонтальную прямую до пересечения с некоторой ветвью из семейства токов базы, то получим точку покоя П коллекторной цепи. Опуская далее перпендикуляр на горизонтальную ось напряжения U_кэ, получим точку покоя рабочего напряжения коллектора U_кэп.

При графо-аналитическом расчете возникает необходимость в построении, так называемой, нагрузочной прямой, которая строится по двум точкам, одна из которых является точкой П, лежащей на ветви тока базы I_бп, а вторая - откладывается на горизонтальной оси напряжения U_кэ и равна напряжению питания Е_к. Проводя через точку Е_к и точку П прямую до пересечения с ординатой I_к, получим нагрузочную статическую прямую. Точка П определяет ток, который бы протекал в коллекторной цепи при короткозамкнутом транзисторе и был бы равен I_к = Е_к/(R_к + R_э). Сопротивление R_э предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и выбирается в пределах (0,1 ¸ 0,2)R_к. Тогда, если выбрать R_э = 0,2R_к, получим R_к = Е_к/1,2I_к. Таким образом, сопротивления R_к и R_э найдены.

Рис. 13. Входная характеристика транзистора в режиме работы усилительного каскада

в классе А

Рис. 14. Графическая интерпретация выходных характеристик работы транзисторного усилительного каскада в режиме класса А

Для расчета сопротивлений R_б1 и R_б2 существуют рекомендации выбирать ток делителя R_б1 - R_б2 в маломощных усилительных каскадах I_д в 8-10 раз больше тока базы, а в усилителях большой мощности - в 2-3 раза больше. Тогда, зная ток базы I_бп и используя второй закон Кирхгофа, можно записать следующее: I_дR_б2 = U_бэ + R_эI_кп, откуда R_б2 = (U_бэ + R_эI_кп)/ I_д.

Значение U_бэ рекомендуется для кремниевых транзисторов выбирать равным 1,0 В. Тогда R_б1 = (Е_к – I_дR_б2)/ I_д.

Следующим этапом является динамический расчет каскада, в результате которого требуется рассчитать коэффициент усиления по напряжению по формуле ,

где U_mвых - амплитуда напряжения на нагрузке 1-го каскада; U_mвх - амплитуда входного сигнала 1-го каскада. В коллекторной цепи транзистора усиленный по току входной сигнал обозначается на рис. 14 как I_k = I_kмакс - I_kп и U_кэ = U_{кэ max} – _{Uкэ п}.

Первым шагом на этом этапе необходимо привести напряжение источника сигнала и внутреннее сопротивление «ко входу» первого каскада, т.е. найти эквивалентные напряжение и сопротивление действующие на базе первого транзистора. Для этого найдем величину эквивалентного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока R_б по формуле .

Сопротивление эквивалентного генератора входного напряжения будет равно

R_экв = (R_иR_б)/ (R_и + R_б).

Напряжение эквивалентного генератора на входе транзистора будет равно

U_экв = (Е_гR_б)/(R_и + R_б).

Это напряжение меньше, чем напряжение источника сигнала, и, используя входную характеристику транзистора, можно определить токи базы для минимального и максимального значений входного напряжения по формулам:

I_бд1 = U_бп - U_экв; I_бд2 = U_бп + U_экв. (5)

Следующим шагом необходимо найти выходные динамические параметры каскада, и, в первую очередь, общее сопротивление нагрузки, которое будет найдено из выражения .

Так как сопротивление в коллекторной цепи для переменного сигнала изменилось, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет проходить по двум точкам на выходной характеристике. Первая точка останется как и для статического режима -точка П. Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате I_к и может быть определена с использованием формулы I_КД= Е_К / R¢_Н.

Реально, нагрузочный динамический диапазон, как следует из рис. 15, будет находиться в пределах двух ветвей базового тока I_бд1 и I_бд2. Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять U_кд1 и U_кд2. Тогда, фактический коэффициент усиления каскада можно определить из выражения К = (U_кд1+ U_кд2)/(2Е_г).

Рис. 15. Соотношения динамической и статической нагрузочных характеристик

Если значение коэффициента К меньше, чем требуется по условию, то необходимо усилительный тракт дополнить вторым каскадом усиления и продолжить расчет. При этом необходимо будет пересчитать коэффициент усиления первого каскада К, так как нагрузкой для первого каскада теперь будет вход второго каскада, а нагрузкой второго -сопротивление R_н. Алгоритм расчета второго каскада аналогичен расчету первого каскада.

Расчет разделительных конденсаторов С_р1, С_р2 и емкости шунтирующего

конденсатора в цепи эмиттера С_э

Емкостимежкаскадных связей С_р1, С_р2 предназначены для гальванической развязки (исключение влияния связи между каскадами по постоянному току) между датчиком и первым каскадом и дальше - между каждым из каскадов по всему тракту усиления. Емкость С_э предназначена для исключения обратной связи по переменному току в каскадах усиления. Расчет указанных емкостей осуществляется по следующим формулам:

Ф (6)

Ф; (7)

мкФ. (8)

Определение мощностных параметров усилителя

Если усилитель состоит из несколько каскадов и функции предпоследнего и последнего каскадов состоят в усилении сигналов по мощности, то в конце расчетанеобходимо оценить мощностные показатели последних каскадов усилителя. Выходную мощность каскада рассчитывают по формуле:

(9)

Полную мощность, расходуемую источником питания, оценивают по формуле:

(10)

Коэффициент полезного действия каскада определяют из выражения:

(11)

Список литературы

1. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы / Т.М. Агаханян // М.: Энергоатомиздат, 1983. – 464 с.

2. Бочаров Л.Н. Расчет электронных устройств на транзисторах / Л.Н. Бочаров, С.К. Жебряков, И.Ф. Колесников // М.: Энергия, 1978. – 208 с.

3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника / Ю.С. Забродин // М.: Высшая школа, 1982. – 496 с.

4. Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники / В.Г. Герасимов, О.М. Князев // М.: Высшая школа, 1986. – 412 с.

5. Ефимов И.Е. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов // М.: Высшая школа, 1986. – 464 с.

6. Голомедов В.А. Полупроводниковые приборы: диоды выпрямители, стабилитроны, тиристоры. Справочник / В.А. Голомедов // М.: Связь, 1978. – 543 с.

7. Лавриненко В.Ю. Полупроводниковые приборы. Справочник / В.Ю. Лавриненко // Киев: Техника, 1984.- 539 с.

---

Дата добавления: 2015-08-17