Графоаналитический расчёт и исследование полупроводникового усилительного каскада (стр. 2 из 3)

Разрешив уравнение (7) относительно тока Iк, получим:

(8)

Мы видим, что выражение (8) по форме совпадает с выражением (4), которое лежало в основе построения нагрузочной прямой для постоянного тока в цепи коллектора.

Поэтому, рассуждая аналогично, найдем значение максимального тока коллектора I_K = Е΄_к /R_K(при U_кэ = 0) для переменной составляющей.

Е΄_{к =} Ек – Iк0·Rэ = 20 – 0,01·330 => Е΄_к =16,7 (В)

Iк= (Ек – Iк0·Rэ)/Rк

Iк= 16,7/680 ≈0,02456 =24,56·10ˉ³ А =>Iк =24,56 (мА)

Продолжаем построения на миллиметровой бумаге (рис. 3).Отложив на оси I_Kполученное новое значение максимального тока коллектора (точка С),через эту точку и выбранную ранее начальную рабочую точку (точку покоя Р),проводится нагрузочная прямая для режима переменного тока коллектора. Все дальнейшие рассуждения и построения, характеризующие работу усилительного каскада, выполняем с использованием этой нагрузочной прямой.

7. Построение динамической переходной характеристики для режима переменного тока

Динамическая переходная характеристика для режима переменного тока строится по точкам пересечения только что построенной нагрузочной прямой для переменного тока с выходными статическими характеристиками. Аналогично построению динамической переходной характеристики для режима постоянного тока в левом верхнем углу рисунка 3 находим точки пересечения линий, идущих от выходных характеристик и линий, проходящих через соответствующие им токи базы. На большей части линейного участка обе переходные характеристики совпадают или достаточно близки по расположению, однако, асимптоты (линии, к которым приближаются характеристики в верхней части), различаются.

8. Работа каскада в режиме усиления А

При отсутствии входного сигнала (Uвх=0) состояние транзистора определяется напряжением смещения │Uбэ│ = │UБЭ0│=│U_R2 – U_RЭ│ =150 мВ = const,обеспечивающем работу каскада в классе А. Для работы каскада в режиме А на базу подаётся такое напряжение смещения, чтобы рабочая точка Р, определяющая исходное состояние схемы при отсутствии входного сигнала, располагалась примерно на середине наиболее прямолинейного участка входной характеристики. В этом режиме напряжение смещения Uбэ по абсолютной величине всегда больше амплитуды входного сигнала Uвхm (150 мВ>80 мВ), а ток покоя Iк0 всегда больше амплитуды переменной составляющей выходного тока (Iк0>Iкm). В режиме А при подаче на вход каскада синусоидального напряжения в выходной цепи будет протекать ток, изменяющийся тоже по синусоиде. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала. Но, режим А самый неэкономичный, так как полезной является лишь мощность, выделяемая в выходной цепи за счёт переменной составляющей выходного тока, а потребляемая мощность определяется значительно большей величиной постоянной составляющей. Поэтому КПД усилительного каскада в режиме А – 20–30%. Обычно в этом режиме работают каскады предварительного усиления или маломощные выходные каскады.

9. Определение напряжений и токов транзисторного усилительного каскада графоаналитическим методом

На графиках всех характеристик, начиная с входной, приводятся временные диаграммы соответствующих сигналов (см. рисунок 3). Ось временипроведена перпендикулярно к оси отображаемого параметра на линии, проходящей через начальную рабочую точку. Ось изменений параметрапроведена параллельно оси параметра основного графика, если ось основного графика положительная, то направления осей совпадают, если отрицательная, то противоположно.

- заданный параметрUвх max=0,08 В= 80 мВ.

Диаграмма построена в левом нижнем квадранте. Строится график одного периода входного синусоидального сигнала. Масштаб диаграммы по оси U_ВХ совпадает с масштабом оси Uбэ основного графика. Положительная полуволна откладывается в соответствии с положительным направлением оси U_ВХ (на рисунке 3 оно противоположно отрицательному направлению оси Uбэ основного графика). Масштаб графика по оси времени произволен и сохранится при построении остальных временных диаграмм.

На этой временной диаграмме график изменения сигнала на входе усилительного каскада (перед разделительным конденсатором С_P1)

представлен ровно заштрихованной синусоидой.

При воздействии входного сигнала график изменения напряжения U_БЭ представляет собой алгебраическую сумму постоянной составляющей U_БЭ0 и переменной составляющей U_вх. Во время положительного полупериода U_вхрезультирующей является разность между постоянной составляющей – U_БЭ0 и переменной составляющей + u_вх (в нашем случае, когда ось U_БЭ отрицательна). Во время отрицательного полупериода u_вх эти две составляющие складываются.

График изменения напряжения – U_БЭ(после разделительного конденсатора С_Р1) при воздействии входного сигнала + U_ВХпредставлен фигурой, заштрихованной по диагонали.

Все диаграммы, построенные далее являются производными от только что построенной диаграммы u_вх =f(t).Они строятся в осях времени и соответствующего параметра, ось времени проходит через начальную рабочую точку (точку покоя Р). Точки максимального отклонения входного напряжения u_вх (в обе стороны от оси времени) проецируются на входную статическую характеристику и определяют соответствующие им максимальные отклонения тока базы I_Б относительно I_Б0, (состояния при u_вх =0).

На оси времени tоткладывается один период Т = 1/fизменения сигнала i_Б. Масштаб оси диаграммы i_Б совпадает с масштабом оси I_Б основного графика.

Анализ данной диаграммы показывает, что при отсутствии входного сигнала (u_вх=0) базовый ток постоянен во времени и равен I_Б = I_Б0 = 0,2 мА = const.Под действием входного сигнала базовый ток I_Бизменяется во времени. Изменение переменной составляющей тока базы под действием входного сигнала представлено на временной диаграмме I_Б = f(t) ровно заштрихованной фигурой. Ввиду некоторой нелинейности выбранного участка входной характеристики амплитудные значения изменения переменной составляющей тока базы I_Бm1≠I_Бm2 Суммарное изменение тока I_Б = I_Б0 ± i_Бчерез базовый электрод под воздействием входного сигнала u_вх представлено фигурой, заштрихованной по диагонали.

Рассуждая аналогично, строим временные диаграммы i_K = f(t), u_ВЫХ=f(t). Изменение переменной составляющей – ровно заштрихованные фигуры, суммарное изменений тока коллектора и выходного сигнала – фигуры, заштрихованные по диагонали.

На графике u_ВЫХ=f(t) видно, что каскад усиления на транзисторе в общим эмиттером изменяет (инвертирует) фазу входного сигнала на противоположную т.е. напряжение сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180 градусов.

Снимаем с графиков амплитудные значения переменных составляющих токов и напряжений сигналов. При неравенстве амплитудных значений переменных составляющих в положительном и отрицательном полупериодах выбираем большую из них.

UВХm	IБm	IKm	UВЫХm
0,08 В	0,18 мА	7 мА	4,3 В

10. Расчет значения сопротивлений резисторов R1и R2 входного делителя напряжения

РезисторыR_1, R₂ представляют собой делитель напряжения. Мы имеем схему с фиксированным напряжением смещения на базе. Резисторы R1 и R2 подключены параллельно источнику питания. Фиксированное напряжение снимается с резистора R2. Пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания можно считать, что R1 и R2 включены параллельно друг другу. При параллельном включении их общее сопротивление будет меньше меньшего из них и определяется именно этим сопротивлением. В нашем случае это резистор R2.

Для того чтобы напряжение было «фиксированным» и не зависело от внешних факторов (изменения температуры, изменения свойств транзистора из-за старения), влияющих на электрическую цепь, включенную параллельно резистору R_2,(куда входит и эмиттерно-базовый переход транзистора), R этой цепи должно быть значительно больше сопротивления R₂.

Значит ток в цепи R₂(а значит и в цепи всего делителя напряжения R₁, R₂) будет больше, чем в цепи тока базы транзистора.

Iделителя обычно Iд=(5…7) I_Бо. (9)

Iд=6·I_Бо =6·0,0002=0,0012 А =1,2 мА

Тогда, принимая во внимание, что по закону Кирхгофа

U_R2=U_БЭ0+U_RЭ0 = I_ДR₂, (10)

U_БЭ0 – снимается с графика U_БЭ0 =0,15 В

U_RЭ0=I_K0R_Э =0,01·330 = 3,3 В

находим

(11)

R2=(0,15+3,3) / 0,0012 = 3,45/0,0012 = 2875 Ом

R2=2,875 кОм.

Учитывая, что через резистор R₁протекают и ток делителя I_д и ток базы I_Б0, запишем для него выражение:

Но

Тогда

(12)

R1=(16,7 -3,45)/(0,0012+0,0002) = 13,25/0,0014 ≈ 9464,3 Ом

R1 = 9,464 кОм

11.Расчет значений емкостей разделительных конденсаторов

Разделительный конденсатор C_p1 отделяет переменную составляющую от постоянной (С_р2 аналогичен для следующего каскада усиления) и является верхним плечомделителя входного переменногонапряжения U_ВХ. Нижним плечом этого делителя является входное сопротивление каскада R_ВХ, которое для переменной составляющей входного сигнала определяется параллельно включенными резисторами R₂ и R₁(верхняя точка R₁замыкается на «землю» через малое сопротивление источника питания Eк) и сопротивлением

транзистора. Сопротивление резистора R_Э во внимание не принимают, т. к. на частоте сигнала оно шунтировано малым емкостным сопротивлением конденсатора Сэ.