книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Если сопротивление в цепи эмиттера равно нулю, то

д/-<= Г = Т ==(|3+ 1)А/'<°’

т.е. схема будет обладать максимальной нестабильностью. Если равно нулю сопротивление в цепи базы, то A/K= A/1;0 и неста­ бильность схемы будет минимальной.

Втех случаях, когда дополнительно учитывается нестабиль­ ность с температурой эмиттерного напряжения и коэффициента усиления по току, изменение тока коллектора с температурой можно записать следующим образом:

Проведенное рассмотрение стабильности носит общий харак­ тер и относится к усилительному каскаду с любым включением

60

Схема на рис. 4.3 наиболее простая, но обладает максималь­ ной нестабильностью. Действительно, для этой схемы Дэ = О, поэтому у = 0 и S = S„aKc= ßcT, т. е- изменение коллекторного тока за счет теплового тока транзистора Д/к— ßCTA/KoВлияние изме­ нения ßCT и входной характеристики в этой схеме также макси­ мально (см. формулу 4. 17). В усилителях, предназначенных для работы в диапазоне температур, использовать схему, приведен­ ную на рис. 4.3, не рекомендуется.

Схема на рис. 4. 5 обладает хорошей стабильностью и наибо­ лее часто используется в усилительных каскадах. Резистор в цепи базы определяется параллельным соединением резисторов Ri и /?2. Резистор Дэ зашунтирован большой емкостью, чтобы устранить влияние обратной связи по переменному току, сни­ жающей коэффициент усиления каскада.

что и Сэ в схеме на рис. 4.5 (для устранения обратной связи).

При расчете каскада по постоянному току обычно рабочая точка считается заданной: она заимствуется либо из справоч­ ника, либо выбирается из условия необходимой амплитуды сиг­ нала. Из параметров транзистора должны быть известны стати­ ческий коэффициент усиления по току (3Ст (или а) и тепловой ток /ко. Необходимо рассчитать цепь смещения так, чтобы изме­ нение положения рабочей точки ДU=AIl<Rl<в заданном диапа­ зоне температур не превышало допустимого значения.

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 4.5, как наиболее

общую. Для этой схемы /?б= — — • Чтобыделительнешун- R1+ /?2

тировал вход транзистора, необходимо выполнять условие:

RÖ^ R SX-

61

Для коллекторной цепи можно написать следующее урав­ нение:

можно найти значение Дэ и по формуле (4. 18) проверить, выпол­ няется ли условие термостабилизацип каскада.

Если напряжение Ек не задано, то из условия термостабплизацпи Д /к<А /„.доп по формуле (4. 17) определяют величину коэф­ фициента нестабильности S, а затем по формуле (4. 19) необхо­ димое напряжение питания. Зная Яэ и Де, можно рассчитать резисторы делителя Яj и Я2.

Поскольку напряжение Пэ.о^О, потенциал базы примерно равен потенциалу эмиттера, т. е.

ЛЯ,

Из этого выражения найдем

Яі =

R6EK

I bR-ъ 4- 7ftRß

Учитывая, что / б = — , получим

ß c T

Иногда можно пренебречь l/ßCT по сравнению с Я0/Яс, тогда

1/Яб— 1/^1

При расчете стабильности рабочей точки мы учитывали ее смещение при изменении параметров транзистора с температу­ рой. Однако режим каскада может изменяться и при смене тран­ зисторов из-за разброса их параметров. Этот разброс всегда существует даже у приборов одной группы. На изменение рабо­ чей точки будет влиять так же, как и при тепловой нестабиль­ ности, всякое изменение коэффициента усиления транзистора по току ßCT, а также напряжения эмиттерного перехода ДНЭ.

Если известны граничные значения названных выше парамет­ ров, т. е. их максимально возможное изменение при смене тран­ зисторов (Дрст, ДНэ), то изменение положения рабочей точки можно рассчитать по тем же формулам, что и для тепловой не­ стабильности (4. 17), только еДТ нужно заменить AU3.

62

Меры, принимаемые для тепловой стабилизации каскада, одновременно снижают степень влияния разброса параметров транзистора на положение рабочей точки.

Пример расчета усилительного каскада по постоянному току

Рассчитаем каскад предварительного усиления с транзистором МП 40А, который должен работать в диапазоне температур от 0 до 40° С. Напряжение источника питания £ К= 9В.

Резистор в цепи коллектора RK= 3 кОм. Максимальная расчетная ампли­

/ко=!0 мкА при напряжении 5 В. Максимально допустимое напряжение между

области нелинейности коллекторных характеристик. Обычно эта величина составляет 0,5—2 В и определяется по характеристикам транзистора. В данном случае возьмем £/н.мин= 1 В. Максимальное приращение напряжения за счет изменения температуры и параметров транзистора

АІ/„=і (/?о+ Як)Л/к,

где А/,,- — максимальное изменение тока коллектора за счет изменения темпе­ ратуры среды и параметров транзистора определяется по формуле (4.17).

Зададимся сопротивлением обратной связи в цепи эмиттера; ориентиро­ вочно оно выбирается из условия Яо=(0,1—0,5)Як. При этом следует учиты­ вать, что с увеличением Яэ уменьшается напряжение между коллектором и эмиттером и. следовательно, максимальная амплитуда неискаженного сиг­ нала.

Возьмем Яо= 0,1 ’Як = 300 Ом.

Определим максимально допустимое изменение тока коллектора Д/к в за­

Используя формулу (4. 17), определим допустимый коэффициент неста­ бильности каскада, если будет изменяться ток /,і0 (при этом считаем, что при изменении температуры на 10° С ток / ко удваивается):

A/,;==5A/,;o=S • 0,04 мА=0,52.

Тогда S =і 13.

63

Для этого случая можно определить сопротивление в цепи базы, восполь­ зовавшись формулой (4. 18), которая после преобразования примет следующий вид:

300

,240-3.40

= 13 ( 440-5 + ——----- + д. ю - 5 .0 ,5 1 = 1,3- 10-Зд = 1,3 мА, 5 ,3 - ІО3

что значительно превышает предельно допустимое изменение тока /,; = 0,52 мА. Поэтому коэффициент нестабильности каскада должен быть снижен.

Рассчитаем изменение тока Д/к при 5= 8 ; 6; 4; 3. Значение резистора Re найдем, воспользовавшись формулой (4. 18)

64

Как видно из расчета, предельное изменение коллекторного тока не превы­ шает допустимого при S = 3. Определим величину резисторов Rі и /?2 для этого случая по формулам (4.21) и (4.22):

пиальная схема каскада с ОЭ, нашедшая наибольшее распространение. Режим и стабильность

такого каскада были разобраны в предыдущем параграфе. Емко­ сти С! и С2 разделительные, емкость Сэ, как уже говорилось, слу­

схеме; ^ вых.т= ~ — выходное сопротивление транзистора в данной гк

схеме.

Чтобы обеспечить передачу сигнала на низких частотах, необ­ ходимо выполнение следующих условий:

где /г, — нижняя граничная частота усилителя.

В области средних и высоких частот переходные емкости не вносят значительных частотных искажений, поскольку их со­ противление на этих частотах незначительно. При составлении эквивалентной схемы это сопротивление принимают равным нулю.

Основные параметры каскада обычно определяются при сред­ них частотах. Наиболее просто и быстро они рассчитываются по эквивалентной схеме усилительного каскада. Эквивалентная схе­

выходных зажимов при отключенной нагрузке

^ВЫХ = ^КІІ^К,

где гк* — коллекторное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ, оно примерно в ß раз меньше, чем гк в схеме с ОБ.

Для схем, в которых выполняется условие rK*^R„, можно

считать, что Явых— RK-

Коэффициент усиления по напряжению равен отношению вы­ ходного напряжения к входному

и меньше входное сопротивление транзистора, тем больше уси­ ление каскада по напряжению.

Коэффициент усиления по току равен отношению тока в на­ грузке к входному току

При расчете коэффициента усиления по току необходимо учи­ тывать, что из-за шунтирующего действия резистора RK только часть выходного тока транзистора проходит через нагрузку.

66

Для входной цепи іВх=^нб+г’б- Полезным является только ток

где уцх — коэффициент токораспределения во входной цепи, по­ казывающий, какая часть входного тока протекает че­ рез транзистор.

Для выходной цепи г'Вых=й;=Чяк + гн. Причем

откуда

Теперь, используя выражения (4.26) и (4.27), можем полу­ чить формулу для коэффициента усиления по току:

Для увеличения коэффициента усиления по току желательно снижать шунтирующее действие цепей смещения, выбирая боль­ шими резисторы Re и RK, т. е. увеличивая коэффициенты полез­ ного токораспределения увх и уВых-

§4.5. ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЯ

СЕМКОСТНОЙ СВЯЗЬЮ

На рис. 4.9 показана частотная характеристика усилитель­ ного каскада с емкостной связью. Частотные характеристики уси­ лительного каскада определяются как частотными свойствами самого транзистора, так и реактивными элементами схемы. Для упрощения анализа рабочий диапазон частот обычно разбивается на три области низких, высоких и средних частот.

В области средних частот коэффициент усиления практиче­ ски не зависит от частоты усиливаемого сигнала. Эквивалентная схема для средних частот имеет тот же вид, что и схема, по кото­ рой рассчитывают параметры каскада (см. рис. 4. \,в). Все пара­ метры каскада обычно рассчитываются для области средних ча­ стот, поскольку она составляет основную часть частотного диа­ пазона.

В области низких частот коэффициент усиления падает с по­ нижением частоты сигнала, что объясняется увеличением реак­ тивных сопротивлений емкостей и снижением коэффициентов передачи от источника сигнала на вход транзистора и с выхода транзистора на нагрузку.

За граничную частоту fn принимается такая частота, на кото­ рой коэффициент усиления падает в 1,4 раза по отношению к его значению на средних частотах, т. е. составляет примерно 0,7 Ко (см. рис. 4.9). В области низких частот на характеристику кас­ када влияют все три емкости каскада: Сь С2 и С3. При расчете частотных характеристик каскада пользуются эквивалентными схемами. На рис. 4. 10 приведена эквивалентная схема для уси­ лительного каскада в области низких частот. Влияние каждой емкости можно учесть отдельно. Рассмотрим вначале влияние емкости С2. Предположим, что сопротивление других емкостей равно нулю, т. е. что емкости бесконечно большие. Ток в нагру­ зочном сопротивлении при учете С2 можно определить следую­ щим образом:

63

Коэффициент усиления в области низких частот можно запи­ сать следующим образом:

Кт К ы- (4.31)

1

1

■ /ШНТ ВЫ Х

где Кі0 — коэффициент усиления на средних частотах;

Твых—^2 (Ks RK)>

или

(4. 32)

При расчетах частотных характеристик удобно пользоваться коэффициентом частотных искажений М:

где Кі — коэффициент усиления на частоте, для которой рассчи­ тываются частотные искажения.

Пользуясь (4.32) на низкой частоте, получим

Подставив это значение 44н.ВЫх в формулу (4.35), определим по­ стоянную времени выходной цепи тВых, по которой легко можно рассчитать С2:

Однако при определении С2 влияние на частотную характе­ ристику других емкостей не учитывалось. В общем случае при расчете частотной характеристики каскада необходимо учиты­ вать все емкости. Если отдельно учитывать влияние входной раз-

69