Порядок расчета усилительного каскада на постоянном токе

 

Расчет каскада связан с условиями технического задания (ТЗ), требования которого определяются назначением усилителя. Например, ТЗ на усилитель звуковых частот содержит следующие пункты.

1. Назначение.

2. Выходные данные: схему выхода (симметричный или несимметричный).

3. Максимально допустимый коэффициент нелинейных искажений.

4. Диапазон рабочих частот.

5. Уровень искажений на граничных частотах усилителя.

6. Входные данные: схему выхода (симметричный, несимметричный).

7. Границы температурного диапазона, то есть .

8. Вид и напряжение источника питания, общий полюс.

ТЗ на широкополосный усилитель содержит дополнительные пункты. Например, емкость нагрузки (задается ), наличие или отсутствие постоянной составляющей на выходе, динамический диапазон входных сигналов.

ТЗ на импульсный усилитель имеет дополнительные пункты: параметры выходного импульса (амплитуда выходного напряжения); полное сопротивление нагрузки, полярность выходного сигнала и наличие постоянной составляющей, длительность импульса; переходные искажения (длительность фронта и среза, величину выброса, коэффициент спада вершины).

Для нас пока из ТЗ необходимы данные, связанные с расчетом рабочей точки транзистора. Последовательность здесь следующая.

1. Выясняем задачу:

1) частоту или полосу усиливаемых частот;

2) мощность;

3) коэффициент усиления или (и) ;

4) температурный диапазон ;

5) сопротивления ;

6) сопротивление нагрузки;

7) коэффициент нестабильности S (если он задан).

Оцениваем, в состоянии ли мы решить задачу с помощью только одного каскада или это должен быть многокаскадный усилитель. Если можем, то определяем схему включения транзистора. Если не можем, то оцениваем число каскадов и схемы включения транзисторов. Например, если задано большие входное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению, то необходимо сначала обеспечить , поставив каскад с общим коллектором, а потом получить усиление по напряжению на каскаде с общим эмиттером. Пусть задача решается только с помощью каскада с общим эмиттером.

2. Подбираем транзистор:

1) по типу проводимости в соответствии с общим полюсом источника питания (p-n-p или n-p-n);

2) по частотному диапазону для обеспечения верхней граничной частоты усилителя (при этом, граничная частота коэффициента передачи тока базы транзистора должна удовлетворять условию ):

3) по температурному диапазону – для выбора материала транзистора (германий, кремний, арсенид галлия);

4) по мощности (малой, средней, большой);

5) по шумам, если требуется малошумящий каскад.

3. Снимаем ВАХ транзистора или пользуемся справочными данными. Обрисовываем рабочую область. Задаем рабочую точку. Определяем координаты рабочей точки ( ). В окрестности рабочей точки находим физические или h-параметры транзистора.

4. Проверяем, удовлетворяет ли рабочая точка условию: , то есть предельному режиму по напряжению. При необходимости корректируем положение рабочей точки.

5. Находим изменения всех величин, входящих в .

Определяем приращение обратного тока коллектора: При вычислениях используем формулу температурной зависимости обратного тока реального диода: , где - температура удвоения.

Находим изменения (или ) с температурой по справочнику по транзисторам или по формуле, указанной в методичке по расчету усилительных каскадов.

Вычисляем . Из выражения , при условии (нормальное включение транзистора) получим: . Тогда при получим:

 

; .

 

Можно в диапазоне температур воспользоваться простым алгоритмом: , где мВ/град.

6. Вычисляем левую и правую части формулы (1.4) и задаем .

Здесь следует отметить, что выбор определяется ТЗ. Если каскад должен работать как предварительный, малосигнальный, то условием малого сигнала принято считать , где - ток коллектора в рабочей точке. Если требуется получить большие амплитуды тока или напряжения, то это – режим большого сигнала: .

7. Задаем по условию , например, в 2....5 раз.

8. Находим по формуле (1.2).

9. Проверяем соответствие найденных сопротивлений заданному коэффициенту нестабильности S. При необходимости корректируем их значения.

10. По формулам (1.5) и (1.6) при заданном находим .

11. Так как мы задали , то по формуле (1.7) определяем . Если не задано, то задается . Принято его задавать так: . В этом случае при работе на переменном токе все определяет как меньший нагрузочный резистор. Возвращаемся к ВАХ, строим динамическую нагрузочную прямую и проверяем обеспечение требуемого напряжения .

Для случая малых сигналов и когда не предъявляется требований по температурной нестабильности, можно упростить расчет и в формуле (1.7) принять

 

. (1.8)

 

Тогда .

При упрощенных расчетах (в режиме малого сигнала) сопротивление может быть найдено по-иному. Ток делителя выбирают из условия , чтобы можно было переключать входным сигналом весь этот ток в базу, то есть иметь запас по току делителя. В формуле - ток базы в рабочей точке. Для базы транзистора . Если задать по условию (1.8), то можно определить

.

 

Значение резистора находят при заданном по формуле

 

.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: