Расчет каскада усилителя напряжения низкой частоты с реастатно – емкостной связью

Последовательность расчета приводится для транзистора, включенного по схеме с ОЭ. На рис.14 дана схема каскада усилителя.

Исходные данные: 1) напряжение на выходе каскада U_{вых. max}

(напряжение на нагрузке); 2) сопротивление нагрузки R_H; 3) нижняя граничная частота f_H; 4) допустимое значение коэффициента частотных искажений каскада в области нижних частот М_H; 5) напряжение источника питания Е_пит.

Примечание.Считать, что каскад работает в стационарных условиях (Т_min=+15⁰C; T_max=25⁰C), при расчете влиянием температуры на режим транзистора пренебрегаем.

Определить: 1) тип транзистора; 2) режим работы транзистора; 3) сопротивление коллекторной нагрузки R_K; 4) сопротивление в цепи эмиттера R_Э; 5) сопротивления делителя напряжения R₁ и R₂, стабилизирующие режим работы транзистора; 6) емкость разделительного конденсатора С_P; 7) емкость конденсатора в цепи эмиттера С_Э; 8) коэффициент усиления каскада по напряжению.

Порядок расчета: 1. Выбираем тип транзистора, руководствуясь следующими соображениями: U_{КЭ доп} (1,1 1,3) Е_пит, U_{КЭ доп} – наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, приводится в справочниках; б) I_{К доп}> 2 I_HM= , I_HM – наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки; I_{К доп} – наибольший допустимый ток коллектора, приводится в справочниках.

Примечание. а) Заданному диапазону температур удовлетворяет любой транзистор. б) Для выбранного типа транзистора выписать из справочника значения коэффициентов усиления по току для ОЭ и (h_21min и h_21max). В некоторых справочниках дается коэффициент усиления потоку для схемы ОБ и начальный ток коллектора I_КН. Тогда (при выборе режима работы транзистора необходимо выполнить условие I_{К min} I_KH). в) Для каскадов усилителей напряжения обычно применяют маломощные транзисторы типа ГТ – 108, ГТ – 109, МП20, МП21, МП25, МП40, МП41, МП42, МП111, МП113 и др. Выбор конкретного типа транзистора производится по справочной литературе.

2. Режим работы транзистора определяем по нагрузочной прямой, построенной на семействе выходных статических (коллекторных) характеристик для ОЭ. Построение нагрузочной прямой показано на рис.16. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: 0- точка покоя (рабочая) и I, определяемая значением напряжения источника питания Е_пит. Координатами 0 являются ток покоя I_К0 и напряжение покоя U_КЭО (т.е. ток и напряжение, соответствующие U_НК=0). Можно принять I_КО=(1,05 1,2) I_вых (1,05 1,2) I_HM. Напряжение покоя: U_КЭО=U_выхm+ U_КЭ=U_km+ U_КЭ, где U_КЭ – напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора. Для маломощных транзисторов можно принять U_КЭ=0,5 1,0 В.

3. Определяем значения сопротивлений R_К и R_Э. По выходным характеристикам (рис.16) определяем R_ОБ=R_К+R_Э. Общее сопротивление в цепи эмиттер - коллектор R_об=Е_пит/I где I – ток, определяемый точкой 4, т.е. точкой пересечения нагрузочной прямой с осью токов.

рис. 17

Принимая R_Э=(0,15 0,25) R_К=R_об/(1,15 1,25); R_Э=R_об-R_K.

4. Определяем наибольшие амплитудные значения входного сигнала тока I_ВХM и напряжения U_ВХM, необходимые для обеспечения заданного значения U_ВЫХM. Задавшись наименьшим значением коэффициента усиления транзистора по току , получаем

I_ВХM=I_бm=I_km/ ,

Причем ток I_ВКМ не должен превыщать значение (I_бmax - I_бmin)/2, где для маломощных транзисторов I_бmax 1 2 мА, I_бmin 0,05 мА.

По входной статической характеристике для схем ОЭ (рис.17) и найденным значениям I_бmin и I_бmax находят значение 2U_вхm.

5. Определяем входное сопротивление R_вх каскада переменному току (без учета напряжения R₁ и R₂):

R_вх =2U_вхm/2I_вхm 2U_вхm/2I_бт.

6. Рассчитываем сопротивление делителя R₁ и R₂. Для уменьшения шунтирующего действия делителя на входную цепь каскада по переменному току принимают

R_1-2 (8 12) R_вх , где R_1-2=R₁ R₂/(R₁+R₂). Тогда

R₁=E_пит R_1-2/R₃I₃=E_питR_1-2/R₃I_KOэ

R₂=R₁ R_1-2/(R₁-R_1-2).

7. Коэффициент нестабильности работы каскада

где - наибольший возможный коэффициент усиления по току выбранного типа транзистора.

Для нормальной работы каскада коэффициент нестабильности не должен превышать нескольких единиц.

8. Определяем емкость разделительного конденсатора С_P:

;

Рис.18

R_вых=R_{вых т} R_r/(R_{вых т}-R_к)+R_H.

где R_{вых т} - выходное сопротивление транзистора, определяемое по выходным статическим характеристикам для схемы ОЭ. В большинстве случаев R_{вых т}»R_к, поэтому можно принять R_{вых т} R_к+R_H.

9. Находим емкость конденсатора С_Э 10/2 .

10. Рассчитываем коэффициент усиления каскада по напряжению:

К_U=U_выхm/U_вxm.

Примечание.Приведенный порядок расчета не учитывает требований на стабильность работы каскада.

При анализе транзисторных усилителей широкое распространение получили h – параметры. Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с ОЭ, характеризуется четырьмя величинами: I_б, U_бэ, I_кэ, U_кэ. Из практических соображений удобно выбирать в качестве независимых значений U_кэ и I_б, тогда

U_бэ = f₁(I_б U_кэ) и I_к =f₂(I_б U_кэ).

В усилительной схемах входным и выходным сигналами являются приращения входных и выходных напряжений и токов.

Рис.19

В пределах линейной части характеристик для приращений справедливы равенства

(5)

где h – параметры – соответствующие частные производные, которые легко можно найти по семейству входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ:

Значение h₁₁ представляет собой входное сопротивление транзистора. Безразмерный параметр h₁₂ является коэффициентом обратной связи по напряжению. Как показывает анализ схем на транзисторах, значение h₁₂=0,002 0,0002, поэтому при практических расчетах его можно пологать равным нулю: h₂₁ – безразмерный коэффициент передачи по току, характеризующий усилительные свойства (по току) транзистора при постоянном напряжении на коллекторе; h₂₂ характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы; h – параметры хорошо описывают работу транзистора в области низких и средних частот.

В соответствии с уравнениями (5) на рис. 18 изображена схема замещения транзистора для переменных составляющих токов и напряжений при h₁₂=0. Для расчета параметров усилителя необходимо определить h – параметры вблизи рабочей точки по семействам соответствующих характеристик. При этом коэффициент усиления усилителя по напряжению в режиме холостого хода

,

а при нагрузке (R_H) .

Входное сопротивление усилителя , а выходное сопротивление - .

Задача 10.Рассчитать каскад транзисторного усилителя напряжения для схемы с общим эмиттером (см. рис. 13):

U_выхm=4В, R_H=500 Ом, f_H=100 Гц,

M_H=1,2, E_пит=12В.

Решение: 12=14,4В

.

Выбираем транзистор МП42А, для которого =30мА;

, , ;

2. Для построения нагрузочной прямой находим (рабочую) точку покоя (0); для этого определяем

.

Вторая точка нагрузочной прямой . По полученным значениям строится нагрузочная прямая.

3. По статическим выходным характеристикам и нагрузочной прямой находим , откуда

Следовательно,

4. Наименьший коэффициент усиления по току (для схем ОЭ) для транзистора МП42А , тогда .

Из-за малого значения можно принять и, следовательно, .

.

Амплитуда входного тока

.

По входной статической характеристике (для схемы ОЭ):

.

5. Находим входное сопротивление транзистора переменному току: .

6. Для определения R₁ и R₂ находим Отсюда

;

7. Определяем, будет ли схема достаточно стабильна:

Следовательно, работа рассчитанного каскада достаточно стабильна.

8. Определяем емкость:

Принимаем С_Р=3,0 мкФ.

9. Находим емкость

Для полного устранения отрицательной обратной связи необходимо включить Эта емкость слишком велика. Обычно используют Принимаем

10. Коэффициент усиления каскада по напряжению

Задача 11. По входной характеристике транзистора (рис.19) определить сопротивление резисторов в цепи базы (рис.20) при условии, что ток смещения базы равен I_бо, при напряжении питания E_К=5В. Использовать данные таблицы 11.

Рис.20

Рис.21

Таблица 11

Вопросы для самопроверки:

1. Как образуется в полупроводнике электронно-дырочный переход?

2. Чем отличаются транзисторы типа p-n-p от транзистора типа n-p-n?

3. Что из себя представляет выпрямитель? Какие типы выпрямителей существуют?

4. Каковы преимущества трёхфазных выпрямителей перед однофазными?

5. Каковы два основных типа стабилизаторов напряжения?

6. Как работает усилитель напряжения?

7. Что собой представляет коэффициент усиления (по напряжению, току, мощности)?