Корнев В.А. Схемотехника: Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Для первого каскада наиболее применимой на практике в усилителях

низкой частоты малой мощности является схема с общим эмиттером,

представленная на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 – 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) – Rг, его выходной сигнал –Е

) и, при этом необходимо

обеспечит заданный коэффициент усиления или амплитуду выходного

напряжения и некоторые другие требуемые характеристики усиления.

Есть специальные схемные решения усилителей, когда требуется

обеспечить усиление крайне малых амплитуд входного сигнала соизмеримого с

уровнем шума усилителя, тогда используются «низкошумящие» биполярные

транзисторы или полевые транзисторы.

Расчет первого каскада, который является предварительным, можно

осуществит аналитически или графоаналитически, используя вольт- амперные

характеристики транзистора. Для каскадов предварительного усиления

рекомендуется аналитический расчет, а для мощного усилителя необходимо

использовать графоаналитический метод. Но в данном случае будут в качестве

примера использованы оба метода.

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

предельных параметров работы каскада и выбор транзистора, расчет по

постоянному току и расчет по переменному току.

2.2.4 Оценка предельных параметров и выбор транзистор. К предельным

параметрам транзистора относятся: максимальное напряжение между

коллектором и эмиттером транзистора, которое выбирается из соотношения

Uкэмах = 1,2 × Ек. Так как, токи в коллекторной цепи усилителей малой

мощности довольно низкие (рекомендуется выбирать ток коллектора в

пределах от 1мА до 3 мА ), а выбор транзистора осуществлять по двум

параметрам- напряжению Uкэмах и максимальной частоте Fм. 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.

2.2.5 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: Rб

, Rб

, Rэ, Rк, которые необходимо найти.

В некоторых случаях Rк может быть задан.

На рисунках 2.14 и 2.15, где представлены входная и выходная

характеристики транзистора.

Рабочий режим по постоянному току определяется на входной и

выходной характеристиках точкой П. Этой точке соответствует постоянный ток

базы транзистора – Iбп и напряжение между базой и эмиттером – Uбэп. На

рисунке показано, что рабочая точка выбрана таким образом, что при

возможном максимальном уровне напряжения источника сигнала равном

Uиmax, напряжение Uбэ = Uбэп – Uиmax > 0.7В, т.е. в любом случае будет

использован сравнительно линейный участок входной характеристики. На

семействе выходных характеристик (см.рис.2.15) рабочий ток покоя коллектора

будет равен Iкп = h

21э

× Iбп, и может быть отмечен точкой на ординате

коллекторного тока Iкп. Если из этой точки - Iкп провести горизонтальную

прямую до пересечения с некоторой ветвью из семейства токов базы, то

получим точку покоя П коллекторной цепи. Опуская перпендикуляр на

горизонтальную ось напряжения Uкэ, получим точку покоя рабочего

напряжения коллектора Uкэп.

При графоаналитическом 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 Iбп. Вторая точка

откладывается на горизонтальной оси напряжения Uкэ и равна напряжению

питания Ек. Проводя через точку Ек и точку П прямую до пересечения с

ординатой Iк получим нагрузочную статическую прямую. Точка имеет смысл

тока, который бы протекал в коллекторной цепи при короткозамкнутом

транзисторе и равен Iк = Ек/(Rк + Rэ). Сопротивление Rэ предназначено для

термокомпенсации рабочего режима каскада и выбирается в пределах (0.1.-

0.2)Rк. Тогда, если выбрать Rэ = 0.2Rк, получим Rк=Ек/1.2Iк . Таким образом,

сопротивления Rк и Rэ найдены.

Рисунок 2.14 – Входная характеристика транзистора в режиме работы

усилительного каскада в классе А [Аринова]

Рисунок 2.15 – Графическая интерпретация выходных характеристик

работы транзисторного усилительного каскада в режиме класса А

Для расчета сопротивлений Rб

и Rб

существуют рекомендации

выбирать ток делителя в маломощных каскадах Iд в 8-10 раз больше тока базы,

а в усилителях большой мощности в 2-3 раза больше. Тогда, зная ток базы Iбп

и, используя второй закон Кирхгофа, можно записать следующее:

Iд× Rб

= Uбэ + Rэ× Iкп и отсюда Rб

= (Uбэ + Rэ× Iкп)/ Iд

Значение Uбэ рекомендуется для кремниевых транзисторов выбирать

равным 1.0 В. Тогда, Rб

= (Ек – Iд × Rб

)/ Iд.

Следующим этапом является динамический расчет каскада, в результате

которого требуется рассчитать коэффициент усиления по напряжению по

формуле

вхm

выхm



где Umвых- амплитуда напряжения на нагрузке 1-го каскада;

Umвх- амплитуда входного сигнала 1-го каскада.

В коллекторной цепи транзистора, усиленный по току входной сигнал,

обозначается на рисунке 2.15, как Ikm = Ikmax - Ikп и по напряжению Uкm

= Umax – Uкп.

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

по

формуле

бб







Сопротивление эквивалентного генератора входного напряжения будет

равно

Rэкв = (Rи · Rб)/ Rи + Rб)

Напряжение эквивалентного генератора на входе транзистора будет равно

Uэкв = (Ег· Rб)/( Rи + Rб )

Это напряжение меньше, чем напряжение источника сигнала и используя

входную характеристику транзистора можно определить токи базы для

минимального и максимального значений входного напряжения по формуле

Iбд

= Uбп - Uэкв ,

Iбд

= Uбп + Uэкв (5)

Следующим шагом необходимо найти выходные динамические

параметры каскада, и в первую очередь общее сопротивление нагрузки, которое

будет найдено из выражения

НK









Так как сопротивление в коллекторной цепи изменилось по переменному

сигналу, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную

прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной характеристике.

Первая точка останется как и для статического режима- точка П. Вторая точка

(фиктивная) должна лежать на ординате Iк и может быть вычислена по

формуле

Iкд = Ек/R´н

Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из рисунка

2.16, будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд

и Iбд

Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в

соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд

и Uкд

Тогда, фактический коэффициент усиления каскада можно определить из

выражения

К = (Uкд

+ Uкд

)/(2·Ег)

Рисунок 2.16 – 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 Rн. Алгоритм

расчета второго каскада будет аналогичен расчету первого каскада.

2.2.6 Расчет разделительных конденсаторов С

р1

, С

р2

и емкости

шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера С

э .

Емкости межкаскадных

связей С

р1

, С

р2

предназначены для гальванической развязки (исключение

влияния между каскадами по постоянному току) между датчиком и первым

каскадом и, дальше между каждым из каскадов по всему тракту усиления.

Емкость Сэ предназначена для исключения обратной связи по переменному

току в каскадах усиления. Расчет указанных емкостей осуществляется по

следующим формулам:

МRRF

нГкасквхн

1)(2







(6)

Uкэ Ек

Динамическая

Статическая

Iбд

Ек

Rк + Rэ

Iк

МRRF

нКНн

1)(2







(7)

мкФ

Эн



2)21(





(8)

2.2.7 Определение мощностных параметров усилителя. Если усилитель

имеет несколько каскадов и функции предпоследнего и последнего каскадов

состоят в усилении сигналов по мощности, то в конце расчета необходимо

оценить мощностные показатели последних каскадов усилителя. Выходную

мощность каскада рассчитывают по формуле

выхm

вых

5,0



(9)

Полную мощность, расходуемую источником питания оценивают

по формуле

)(

ббПббделитКЭПП

RIRRIЕIP 

(10)

Коэффициент полезного действия каскада определяют из

выражения

%100

вых



(11)

ЛИТЕРАТУРА

1 Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы: Учеб. пособие для вузов. –

М.: Энергоатомиздат, 1983. – 464с., ил.

2 Аринова Н.В. Основы электроники: Рабочая программа, задания и ме-

тодические указания к контрольным работам для студентов специальности

050716 «Приборостроение» заочной формы обучения. ВКГТУ. - Усть-

Каменогорск, 2007. – 51с.

3 Бочаров Л.Н. и др. Расчет электронных устройств на транзисторах /

Бочаров Л.Н., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. – М.: Энергия, 1978. – 208с., ил.

– (Массовая радиобиблиотека; Вып. 963).

4 Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М.:

Высш. Школа, 1982. – 496 с., ил.

5 Герасимов В.Г., Князев О.М. и др. Основы промышленной электроники.

– М.: Высшая школа, 1986.

6 Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника.

Физические и технологические основа, надежность. – М.: Высшая школа, 1986.

– 464 с.

7 Шадрин Г.К. Основы электроники: Курсовая работа, задания,

методические указания для студентов специальности 050716

«Приборостроение» заочной формы обучения / Г.К. Шадрин, Н.В. Аринова /

ВКГТУ.-Усть-Каменогорск, 2007. – 35 с.

8 Голомедов В.А. Полупроводниковые приборы: диоды выпрямители,

стабилитроны, тиристоры. Справочник – М.: Связь, 1978.

9 Лавриненко В.Ю. Полупроводниковые приборы. Справочник. – Киев:

Техника, 1984.