электрические приборы и машины
 
 
   
 
   
 
 
     
 
Главная / Электронные приборы / Транзисторные усилители / Расчёт усилителя на транзисторах

Расчёт усилителя на транзисторах

Наиболее распространенной схемой предварительных усилителей является усилитель на сопротивлениях, выполненный по схеме с общим эмиттером. Расчет усилителя на транзисторе во многом аналогичен расчету лампового усилителя, но имеет некоторые специфические особенности. Одной из них является, например, то, что в транзисторном усилителе на сопротивлениях полоса пропускания практически почти не зависит от сопротивления нагрузки в коллекторной цепи. Поэтому здесь нельзя изменять полосу пропускания усилителя, варьируя сопротивление нагрузки.

Исходными данными для расчета усилителя на транзисторах, как и лампового, являются полоса усиливаемых частот от Fмин до Fмакс, допустимые частотные искажения на нижних и верхних частотах Мн и Мв при заданном коэффициенте усиления, входное сопротивление следующего каскада Rвх, амплитуда переменной составляющей входного тока следующего каскада Um вх, напряжение источника питания Е.

Расчет следует начинать с выбора тина транзистора, который, при соответственно выбранных режиме работы и элементах схемы, может обеспечить выполнение требований технического задания.

Так как обычно Rн <<Rвых, то коэффициент усиления по току на средних частотах схемы с общим эмиттером приближенно определяется формулой

Отсюда легко можно определить значение а, которым должен обладать транзистор для обеспечения заданного усиления:

                                  (333)

Далее следует определить верхнюю граничную частоту, которую должен усиливать транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером при заданном коэффициенте частотных искажений:

                                 (334)

Часто в справочниках указывают граничную частоту транзистора, включенного по схеме с общей базой,

                                    (335)

Ток покоя коллектора Iк.п должен быть по крайней мере в 1,5—2 раза больше заданной амплитуды входного тока сигнала следующего каскада. Это необходимо для того, чтобы при замене транзистора и при изменении температуры не возникали значительные нелинейные искажения. Следует выбрать транзистор, имеющий значения α, ƒгр и Iк.п не менее полученных из расчета.

В усилителях на транзисторах сопротивление нагрузки постоянному току значительно отличается от сопротивления нагрузки переменному току. Поэтому исходный режим следует выбирать по постоянному току, а динамический — по переменному току.

Напряжение на коллекторе обычно составляет не более половины напряжения источника питания:

Uк. п= (0,4÷0,5)Е.                     (336)

 

Поэтому, зная Е, Iк. п, Uк.п, можно, используя семейство выходных характеристик выбранного транзистора (рис.  181), построить динамическую характеристику и определить ток покоя базы Iбюп, соответствующий выбранной рабочей точке А.

Рис. 181. Схема (а) и семейство характеристик (б) к расчету транзисторного усилительного каскада напряжения низкой частоты.

По входным характеристикам транзистора (по известным Uк.п и Iб.п) определяют Uб.п = Uб.э. Сопротивление нагрузки постоянному току для выбранной схемы находят по формуле

Величиной падения напряжения на эмиттерном сопротивлении Rэ обычно задаются в пределах 0,1÷0,3Е. Сопротивление нагрузки переменному току Rк~ образуют три параллельно соединенные сопротивления — сопротивление нагрузки Rк, входное сопротивление следующего каскада Rвх и сопротивление смещения на базу следующего каскада Rсм:

В рассматриваемой схеме Rсм = R1. Если бы смещение на базу следующего каскада подавалось через делитель R1-R2, то величину сопротивления Rсм нужно было бы определить исходя из следующего равенства:

Выбранный транзистор при данном сопротивлении нагрузки обеспечивает усиление на средних частотах

                             (337)

Если полученный коэффициент усиления равен или несколько превышает Кi зад, то можно продолжать расчет. Чтобы напряжение смещения на базе не изменялось при температурных изменениях обратного тока коллектора, ток делителя должен быть в 2—5 раз больше, чем ток покоя базы. Чем больше ток делителя, тем меньше должны быть его сопротивления, тем меньше потенциал базы зависит от изменений тока базы и тем лучше стабилизация.

Приращение тока коллектора ΔIк относительно тока покоя, вследствие изменения теплового режима схемы, изменения напряжения на эмиттерном переходе и непостоянства коэффициента β, оценивается коэффициентом нестабильности Кнест, который пропорционален ΔIк. Для рассматриваемой схемы он определяется формулой

Хорошая стабильность схемы получается при значении Kнест не превышающем 2—5. Величина R2R3/R2+R3, входящая в его выражение, должна быть много больше входного сопротивления транзистора для того, чтобы делитель не шунтировал вход последнего. Низкоомный делитель шунтирует входное сопротивление каскада и вызывает дополнительный расход мощности источника питания. Однако при большом сопротивлении R3 (его величина ограничена падением напряжения источника питания) можно использовать более высокоомные сопротивления делителя R2 и R3. Значения этих сопротивлений определяются выражениями

                            (338) 
                            (339)

Частотные искажения на нижних частотах определяют разделительные конденсаторы Ср и конденсаторы Сэ, включенные в цепь эмиттера. Коэффициент усиления в области нижних частот можно рассчитать по формуле

                            (340)

где R'вых — выходное сопротивление транзистора, представляющее собой параллельное соединение сопротивлений Rвых и Rк; R'н — сопротивление нагрузки транзистора, эквивалентное параллельному соединению сопротивления R1, и входного сопротивления следующего каскада. Для того чтобы падение усиления (частотные искажения) на самой нижней частоте не превышало 3 дб, должно соблюдаться условие

                               (341)

Подставив это значение емкости Ср в формулу (340) для K после несложных преобразований получим формулу для определения нижней расчетной частоты Ωр, на которой падение усиления составит Мн/n, где n — число элементов схемы, снижающих усиление в области нижних частот,

                               (342)

Так, например, если задано, что общее падение усиления на частоте 100 гц у усилителя на транзисторах должно составлять 3 дб, и если в схеме имеется 3 элемента, которые вызывают падение усиления в области нижних частот, то на каждый элемент приходится падение усиления 1 дб. Тогда

Ωр/Ω= 0,5; Ωр = 0,5, т. е. нижняя расчетная частота Fр=50 гц.

Частоту Fр = 50 гц следует подставлять в формулу для расчета разделительной емкости Ср.

Емкость конденсатора Сэ, шунтирующего сопротивление Rэ определяют по формуле

                                       (343)

где Мн1 — допустимый коэффициент частотных искажений, приходящийся на цепочку RэСэ; ΔIк/ΔUб = S0 —крутизна транзистора в рабочей точке при Uк = const.

Если окажется, что

                                     (344)

то частотными искажениями, вносимыми цепочкой RэCэ, можно пренебречь и заданные допустимые частотные искажения распределить только между разделительными конденсаторами.

В области верхних частот имеет место падение усиления за счет снижения коэффициента усиления а и за счет шунтирующего действия выходной емкости Скэ≈Скб(1 + h21э).

Коэффициент усиления в области верхних частот

                                      (345)

где R —сопротивление, величина которого эквивалентна общей величине всех параллельно включенных сопротивлений между выходной цепью первого транзистора и входной цепью второго транзистора.

Из формулы (345) можно определить частоту, на которой усиление упадет на 3 дб:

                                        (346)

Снижение коэффициента усиления одного транзистора на верхних частотах за счет уменьшения коэффициента усиления по току а можно рассчитать по формуле

                                         (347)

Например, при расчете двухступенчатого усилителя на транзисторах падение усиления на частоте F = 10 кгц не должно превышать 3 дб. У выбранного транзистора Fгр.о.э = 20 кгц, а Ск.э = 2000 пф. Отсюда

На каждый каскад допустимое снижение усиления составляет 1,5 дб, следовательно, снижение усиления за счет влияния емкости Ск.э, должно быть не более 0,5 дб:

Сопротивление конденсатора Ск.э на частоте Fр

                                   (348)

Если Хск. э> R,  то частотные искажения в области верхних частот не превысят заданных.

Расчет заканчивается определением амплитуды напряжения сигнала, которую следует подать на вход следующего каскада:

Um вх = Im вх Rвх                     (349)

 
 
     
 
Copyright © 2012 Электродвигатели и трансформаторы
электрические приборы и машины
Rambler's Top100
Создание сайта Вебцентр