Большая База Данных Рефератов - Усилительные каскады переменного тока на биполярных транзисторах

Усилительные каскады переменного тока на биполярных транзисторах

еобходимо обратить внимание на изменение фазы сигнала в нагрузке. Увеличение входного сигнала приводит к росту тока базы и, соответственно, коллектора, росту падения напряжения на Rк и уменьшению падения напряжения на транзисторе. Уменьшение входного сигнала приводит к росту напряжения на транзисторе. Таким образом, выходной сигнал оказывается сдвинутым на 1800 (на радиан) относительно входного. Необходимо отметить, что в некоторых случаях нагрузка располагается в коллекторной цепи вместо Rк. В этом случае изменение ее напряжения совпадает с описанным выше изменением напряжения на Rк и инверсии выходного сигнала не происходит.

По полученным данным можно определить коэффициенты усиления усилителя:

Приведенный расчет получил наименование графоаналитического. Обычно же определение коэффициентов усиления проводят при проведении расчета усилителя по переменному току. Для этого, прежде всего, необходимо на основании принципиальной составить эквивалентную схему усилителя. Это будет выполнено несколько позднее для более сложной схемы усилителя ОЭ, эквивалентная схема которого практически не отличается от эквивалентной схемы рассмотренного усилителя.

На основе построений рисунка 4.4. сформулируем требования к предельно допустимым параметрам транзистора. Напоминаем, что предельно допустимыми параметрами называются параметры, значения которых не должны быть превышены в процессе работы прибора.

В состоянии покоя через транзистор, на коллекторе которого имеется напряжение UкР, протекает ток IкР. Поэтому на нем выделяется мощность, равная

РкР = IкР * UкР,(4.10)

которую транзистор должен быть способен рассеять в окружающее пространство. Следовательно, постоянная рассеиваемая мощность транзистора (мощность коллектора транзистора - в соответствии с наименованием, применяемым в справочной литературе) Рк должна удовлетворять неравенству:

Рк Кзап * РкР(4.11)

где Кзап - коэффициент запаса по мощности, использование которого обеспечивает надежную работу прибора в реальных условиях. Обычно Кзап выбирается из диапазона 1,2 … 1,5, хотя могут быть и иные значения, обусловленные особенностями эксплуатации и назначения разрабатываемой аппаратуры.

Необходимо отметить, что расчет выделяемой мощности для усилителя класса А ведется по напряжению и току покоя. Их изменение в результате воздействия сигнала не учитывается, т.к при увеличении тока коллектора уменьшается падение напряжения и наоборот.д.ля усилителей, работающих в режиме иных классов, в качестве расчетной величины РкР берется средняя мощность.

Справочное значение рассеиваемой мощности Рк должно быть определено с учетом температуры окружающей среды, в которой предполагают использовать разрабатываемый усилитель.

Приходящий переменный сигнал изменяет ток и напряжение транзистора, однако, подходы к их допустимым максимальным величинам различны, в связи с отличием в механизме процессов, приводящих к разрушению транзистора. Вероятность пробоя транзистора увеличивается при увеличении скорости нарастания напряжения на коллекторе. Поэтому предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер должно удовлетворять неравенству:

Uкэ = Кзап * Еп. (4.12)

Коэффициент запаса по напряжению обычно выбирают из тех же предпосылок, что и коэффициент запаса по мощности.

Процесс выхода транзистора из строя в связи с прохождением через него значительного тока иной, инерционный и напоминает процесс разрушения от разогрева в результате выделения электрической мощности. Поэтому допустимый коллекторный ток определяют исходя из тока покоя (или среднего тока для иных классов режима работы):

Iк = Кзап * IкР,(4.13)

однако коэффициент запаса по току обычно выбирают несколько большим, чем в предыдущих случаях.

Стабилизация режима работы усилительных каскадов
Простота схемы с фиксированным током базы привели к тому, что она является одной из самых распространенных. Однако ей присущ ряд недостатков, устранение которых привело к созданию и использованию более сложных схем.

Как видно из приведенного выше расчета, определение величины сопротивления резистора в цепи базы произведено на основании выбранного режима работы выходной цепи транзистора и его характеристик, которые обобщенно можно выразить статическим коэффициентом передачи тока h21Э. Вместе с тем после выбора номинала резистора Rб ток базы практически не зависит от параметров транзистора (см. выражение (4.6)). Он однозначно задан (зафиксирован) сопротивлением использованного резистора Rб и напряжением источника питания. Отсюда возникло и название схемы. В то же время, ток коллектора определяется не только этим током базы, но также и параметрами транзистора. А они могут не совпадать с теми, которые были использованы при расчете. Поэтому ток коллектора практически всегда не совпадает с ожидаемым, что, в свою очередь, приводит к иному напряжению на коллекторе п сравнению с ожидаемым, т.е. к иному режиму работы каскада.

Рассмотрим пример. Пусть в усилителе по схеме рисунка 36.3, а напряжение питания Еп = 15 В и использован транзистор КТ315Б. Его статический коэффициент передачи тока, который приводится в справочнике, находится в пределе 50 - 250. Среднее значение h21Э ср = 150. Зададимся параметрами точки покоя:

IкэР = 10 мА; UкэР = 7,5 В.

Проведя расчеты по методике, изложенной в предыдущем параграфе, получаем:

Ом; ;

Ом.

В соответствии с рядом номиналов резисторов, принимаем Rк = 750 Ом, Rб = 22 кОм. Несовпадение номинала Rб по сравнению с расчетным значением приведет к некоторому увеличению тока покоя базы (IбР 682 мкА) изменению параметрами расчетной точки покоя:

IкР = 6,82 10-4 * 150 = 10,2 мА; UкэР = 15 - 750 * 10,2 10-2 = 7,35 В.

Изменения параметров рабочей точки незначительные. Однако, если при изготовлении конкретного экземпляра усилителя будет использован транзистор с предельными величинами статический коэффициент передачи тока, то режим может измениться существенно. Например, при использовании транзистора с h21Э = 50

IкР = 6,82 10-4 * 50 = 3,41 мА; UкэР = 15 - 750 * 3,41 10-3 12,4 В.

Если же h21Э = 250, то

IкР = 6,82 10-4 * 250 17 мА; UкэР = 15 - 750 * 17 10-3 2,3 В.

Как мы видим, изменения режима работы значительны.

Конечно, можно было бы уменьшить расхождения либо в результате предварительного (до проведения расчета) измерения статического коэффициента передачи тока индивидуально каждого экземпляра транзистора, либо путем подбора (регулировки) величин сопротивления резисторов. Не говоря уж об усложнении работы, это не приводит к существенному положительному результату, в связи с наличием так называемых «дестабилизирующих факторов». К ним обычно относят: изменения температуры и других параметров окружающей среды, старения элементов схемы, нестабильностью источников питания и т.п. Они приводят к изменению параметров элементов схемы, изменению токов и напряжений, т.е. к изменению режима работы каскада.

К дестабилизирующим факторам, в первую очередь, следует отнести изменение температуры окружающей среды, вызывающей, во-первых, изменение обратного тока коллекторного перехода Iко, во-вторых, изменение напряжения эмиттерного перехода Uбэ транзистора, и, в - третьих, изменение его коэффициента передачи тока h21э. Все эти воздействия приводят к изменению коллекторного тока транзистора и, следовательно, изменению выходного напряжения усилительного каскада. Поэтому важнейшей задачей при проектировании транзисторных усилителей является обеспечение именно температурной стабилизации их режима работы. При таком подходе зачастую уменьшается влияние и других воздействий.

Рассмотрим схемные построения усилителей ОЭ, которые позволяют уменьшить воздействие дестабилизирующих факторов. Необходимо напомнить, что, несмотря на указанные выше недостатки, схему с фиксированным током базы очень широко используют. Это объясняется тем, что при малых амплитудах входного и выходного сигналов, смещение рабочей точки во многих случаях не имеет принципиального значения. Поэтому прежде чем браться за более сложную схему, необходимо проанализировать возможность использования простой.

Схема с фиксированным напряжением базы

Схема с фиксированным напряжением база-эмиттер приведена на рисунке 4.5. В этой схеме режим работы транзистора задается путем подачи постоянного смещающего напряжения на базу. Напряжение смещения формируется делителем напряжения источника питания на резисторах Rб1 и Rб2. Падение напряжения на резисторе Rб2, которое одновременно является напряжением эмиттерного перехода транзистора, должно быть таким, чтобы в базу поступал ток IбР (см. рисунок 4.4, а).

Через делитель идет ток Iд. Чем он больше, тем стабильнее схема, так как изменение тока базы будет слабо влиять на величину смещения. Однако следует иметь в виду, что ток делителя нельзя выбирать слишком большим, поскольку в делителе расходуется дополнительная энергия, и чем больше ток Iд, тем большее мощности источника питания будет расходоваться в этой вспомогательной цепи. Кроме того, в этом случае уменьшаются величины сопротивлений Rб1 и Rб2, что приводит к уменьшению входного сопротивления каскада и возрастанию нагрузки на источник сигнала. Обычно ток делителя выбирают в пределах (2...10) IбР.

Рисунок 4.5. Усилитель ОЭ с фиксированным напряжением базы

Расчет сопротивлений делителя (после выбора его тока) проводится по формулам:

(4.14)

Стабильность работы схемы рисунка 4.5, а незначительно превосходит схему с фиксированным током базы, вместе с тем, имеет дополнительный резистор. Поэтому она не получила широкого распространения. Можно повысить ее стабильность, если вместо резистора Rб2 ввести диод. Известно, что при изменении температуры статический коэффициент передачи тока транзистора и падение напряжения на р-п переходе меняются в противоположных направлениях. Например, при повышении температуры h21Э возрастает, а падение напряжения на р-п переходе уменьшается. Поэтому, если изменение температур на этих элементах будет идентичным, то произойдет частичная термокомпенсация: уменьшение падения напряжения на р-п переходе при увеличении температуры приведет к уменьшению тока базы, что уменьшит влияние роста коэффициента передачи на режим работы каскада. При уменьшении температуры окружающей среды будет наблюдаться обратная картина.

Наиболее плодотворна реализация термокомпенсационной схемы в микроэлектронном исполнении, где элементы могут быть расположены на небольшом расстоянии друг от друга и произведена оптимизация их характеристик. Вариант схемы приведен на рисунке 4.5, б, где р-п переход образован эмиттерным переходом дополнительного транзистора VTд.

Схемные методы стабилизации
Простейшей и наиболее экономичной является коллекторная стабилизация, представленная на рисунке 4.6, а.

Рисунок 4.6. Усилитель ОЭ с коллекторной стабилизацией

Положение точки покоя обеспечивается током IбР, протекающим через резистор Rб. Величина Rб определяется по формуле

. (4.15)

Изменяется и выражение для определения Rк:

. (4.16)

Хотя, в связи с тем, что IкР IбР, получаемые величины практически не отличаются от вычисленных по формуле (4.3).

Принцип действия схемы стабилизации состоит в следующем. С ростом, например, температуры, IкР начинает расти, что приводит согласно (4.1), к уменьшению UкэР. Так как сопротивление резистора Rб постоянно, то ток IбР начнет уменьшаться. Ток коллектора и ток базы транзистора связаны между собой через статический коэффициент передачи тока. Следовательно, уменьшение тока покоя базы будет препятствовать увеличению току покоя коллектора IкР, и режим работы каскада практически не изменится. При уменьшении температуры окружающей среды будет наблюдаться обратная картина.

В схеме коллекторной стабилизации рисунка 4.6, а возникает отрицательная параллельная обратная связь по переменному напряжению, которая уменьшает коэффициент усиления и входное сопротивление каскада. Для устранения этой связи Rб делят на две части, между ними и корпусом включают конденсатор Cб (рисунок 4.6, б). Емкость конденсатора должна быть такой, чтобы на самой нижней частоте усиления его сопротивление переменному току было существенно меньше входного сопротивления каскада Rвх:

,(4.17)

где fн - нижняя частота сигнала.

Схема коллекторной стабилизации эффективна лишь при большом падении напряжения на коллекторной нагрузке (порядка 0,5 Ек и выше) и изменениях температуры в пределах 20 - 30°С.

Более качественную стабилизацию режима работы транзисторного усилительного каскада обеспечивает схема эмиттерной стабилизации, представленная на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7. Усилитель ОЭ с эмиттерной стабилизацией

Принцип действия схемы состоит в следующем. Если сделать обход по контуру резистор Rб2 - эмиттерный переход транзистора - резистор RЭ, то можно записать:

,(4.18)

где IэР - ток эмиттера в состоянии покоя (IэР IкР).

С изменением температуры окружающей среды, например, ее ростом, возрастают токи покоя коллектора IкР и эмиттера (IэР). При этом увеличивается падение напряжения на резисторе RЭ и в соответствии с выражением (4.18) уменьшается напряжение на эмиттерном переходе. Ток базы IбР уменьшается, что ограничивает рост тока IкР.

Для устранения последовательной отрицательной обратной связи по току, которая возникает в схеме при подаче входного сигнала переменного тока, резистор RЭ шунтируется конденсатором СЭ.

Падение напряжения на резисторе RЭ выбирают в пределе

URэ = (0,05 - 0,2) Еп (4. 19)

Откуда (после выбора URэ)

. (4. 20)

Величина шунтирующей емкости эмиттерного конденсатора находят из соотношения:

,(4.21)

Сопротивление резисторов определяют по формулам, в которых учтено падение постоянного напряжения на эмиттерном резисторе:

(4.22)

Ток делителя, также как для предшествующих схем, обычно выбирают в пределах (2...10) IбР.

Схема эмиттерной стабилизации режима работы находит наиболее широкое применение, так как обеспечивает хорошую работоспособность усилительного каскада при изменении температуры на 70 - 100°С.

Расчет параметров усилителя ОЭ по переменному току
К параметрам усилителя по переменному току будем относить его коэффициенты усиления, входное и выходное сопротивление. По ним можно представить усилитель в виде «черного ящика» и судить о пригодности усилителя к использованию.

Для расчета необходимо составить эквивалентную схему каскада, в которую включают только элементы, в которых возникают токи и напряжения, обусловленные входным переменным сигналом. Эквивалентная схема строят на основе принципиальной, номиналы элементов которой определены при ее расчете по постоянному току. Продемонстрируем принцип ее составления для самой сложной из рассмотренных схем - усилителя с эмиттерной стабилизацией (рисунок 4.7).

Рисунок 4.8. Эквивалентная схема усилителя с эмиттерной стабилизацией

Источник сигнала изображен в виде идеального генератора переменного напряжения ес с внутренним выходным сопротивлением Rг. Сигнал, проходя через разделительный конденсатор Ср1, вызывает токи в цепях усилителя. Прежде всего, возникает ток в резисторе Rб2, который замкнут на землю. Появится ток и цепи резистора Rб1, который через внутреннее сопротивление источника питания Rи также замыкается на землю.

Транзистор VT представлен его Т-образной схемой замещения, содержащей дифференциальные сопротивления rб, rэ, rк и зависимый источник тока h21э * iб. В его входной цепи возникает переменный ток базы iб. Ток коллектора в основном будет обусловлен источником тока, ток эмиттера - суммой указанных токов. Коллекторный ток замыкается на землю через цепь - резистор Rк, внутреннее сопротивление источника питания Rи. Через разделительный конденсатор Ср1 сигнал, обусловленный током iк появляется в нагрузке. В цепи эмиттера токи замыкаются на землю через Сэ и Rэ.

Для средних частот рабочего диапазона эквивалентная схема усилителя может быть упрощена. Упрощения проводят на основании учета соотношений (4.9), (4.17), (4.21) и на основе того, что емкость коллекторного перехода существенно меньше остальных емкостей. Поэтому всеми разделительными емкостями и емкостью коллекторного перехода можно пренебречь. Малое сопротивление Сэ шунтирует внешний резистор Rэ, практически подсоединяя эмиттер к земле. В результате получим схему рисунка 4.9.

Рисунок 4.9. Эквивалентная схема усилителя для средних частот

Напоминаем, что коэффициенты усиления определяются, как отношение тока, напряжения и мощности сигнала нагрузки к соответствующим величинам на входе. Их можно определить исходя из приведенной схемы. Однако, наиболее часто коэффициенты вычисляют по более простым формулам. Такой подход оправдан в связи со значительным разбросом параметров используемых транзисторов и резисторов. Так, например, коэффициент усиления по току наиболее часто принимают равным статическому коэффициенту передачи тока в схеме ОЭ, т.е.

. (4.23)

В действительности он равен . Сравнивая это выражение с (4.23), можно увидеть следующие отличия. Как видно их рисунка, числитель в формуле (4.23) завышен, а знаменатель - занижен, что должно привести к более высоким оценкам величины коэффициент усиления по току при предлагаемом его определении по (4.23). Поэтому, чтобы сохранить простоту нахождения Кi, предлагается считать его равным минимальному значению h21э, которое приводится в справочной литературе на используемый транзистор:

Страницы: 1, 2, 3

Меню

Усилительные каскады переменного тока на биполярных транзисторах