Электроника и микропроцессорная техника

Методика расчёта транзисторного усилителя с ОЭ

В практических усилительных каскадах используется установка начальных токов и напряжений от одного источника коллекторного питания. Кроме того, для термостабилизации рабочей точки обычно применяют отрицательные обратные связи, чаще всего последовательную ООС по эмиттерному току. Пример такого каскада приведен на рис.45.

Рис.45. Практическая схема усиления на транзисторе с общим эмиттером

Рекомендации по расчёту практической схемы RC-усилительного каскада, приведенного на рис.45. Исходными данными обычно являются:

• е_вх=ЕвхSin(?t)-э.д.с. входного сигнала,
• Ru-внутреннее сопротивление источника входного сигнала,
• Кu.ус.-коэффициент усиления по напряжению,
• Rн-сопротивление нагрузки.

Качественно работа подобного каскада рассмотрена выше (рис.43,44)

Начальный режим (режим покоя,е вх=0).

• напряжение отрицательной обратной связи по постоянной составляющей эмиттерного тока (U_ос=) образуется на суммарном сопротивлении Rэ+Rэо, обычно его величина выбирается равной 20-30% от напряжения коллекторного питания Ек: U_ос==Iэо(Rэ+Rэо)=(0,2-0,3)Ек (компромисс между потерей части Ек для амплитуды выходного напряжения и качеством термостабилизации положения рабочей точки на выходных характеристиках транзистора в рабочем диапазоне температур внешней среды).Принцип термостабилизации заключается в следующем: управляющее транзистором напряжение равно: Uбэо=Uбо-U_ос=,при возрастании температуры внешней среды увеличивается начальный коллекторный ток Iок за счёт увеличения теплового тока коллектора Iко — это приводит к увеличению начального тока эмиттера Iэо и ,следовательно ,U_ос=, что в свою очередь уменьшает напряжение Uбэо тем самым  уменьшается Iок, т.е. рабочая точка остается приблизительно в изначальном положении. При  уменьшении температуры процессы протекают с обратным знаком,
• ток Iок, как это следует из выходных характеристик (рис.44), должен быть больше или равен амплитуде тока нагрузки,  которую можно определить по исходным данным: Iн.макс.= К_u.ус*Евх/Rн, в этом случае будет обеспечен симметричный размах амплитуды выходного тока, обычно Iок=(1,5-2)Iн.макс.,
• напряжение коллекторного питания  должно обеспечивать симметричный размах амплитуды выходного напряжения, т.е. Ек ?2Uн.макс.+ U_ос=,
• далее по найденным Ек и Iок выбирается тип транзистора, а также рассчитываются параметры ряда элементов схемы:

поскольку Iэо =Iок/ ? = Iок* (?+1)/ ? = Iок*(h_21э+1)/ h_21э,то Rэ+Rэо= U_ос=,/ Iэо; т.к. IокRк=Uко=( Ек- U_ос=)/2,то Rк=  ( Ек- U_ос=)/2Iок ;Iбо=Iок/ h_21э,

для надёжного фиксирования начального напряжения на базе транзистора (Uбо)      токи базового делителя напряжений Iд1,Iд2 принимаются равными (2- 4)Iбо, тогда, очевидно,что Rд2=( U_ос=+Uбэо)/ Iд2, где Uбэо-прямое падение напряжения на прямосмещённом бозо-эмиттерном переходе (0,5-0,7 В для Si-транзистора) и Rд1= (Ек- U_ос=— Uбэо)/ Iд1.

Рабочий режим (е_вх?0).

В этом режиме рассчитываются параметры остальных элементов схемы с использованием  физической эквивалентной схемы замещения каскада усиления, которая  базируется на таковой для  транзистора (рис.22):

Рис.46. Физическая схема замещения каскада усиления

В схеме: R_б= Rд1* Rд2/( Rд1+ Rд2), R?н=Rк*Rн/(Rк+Rн), эти соотношения справедливы, если на частоте рабочего сигнала обеспечиваются условия: Хс1=Хс2?0 и Хсэ «Rэо. Далее находим:

• входное сопротивление транзистора с обратной связью:

Rвх.тр.ос.=Uвх/i_б = r_б+r_э(?+1)+Rэ(?+1)=h11э+Rэ(h21э+1),

• входное сопротивление усилителя :Rвх.ус.= R_б// Rвх.тр.ос (//-знак параллельного соединения резисторов),
• коэффициент усиления по напряжению транзистора: Кu.тр.= i_к* R?н/(i_б* Rвх.тр.ос)
  или Кu.тр.= ?_* R?н/ Rвх.тр.ос= h21э_* R?н / Rвх.тр.ос, если Rвх.ус. »Ru, то Кu.тр. ?Кu.ус,где Кu.ус= i_к* R?н/е_вх, поскольку  Uвх=е_вх* Rвх.ус./(Ru+ Rвх.ус.)=
  е_вх/(1+ Ru/ Rвх.ус.) и Ru/ Rвх.ус.>0. Если приведенное выше неравенство выполняется  плохо (менее чем в 10 раз), то необходимо выполнить вторую итерацию расчёта, выбрав транзистор с большим h21э,либо принять решение об установке согласующего каскада между источником входного сигнала и входом усилителя. По заданной величине Кu.ус теперь можно найти величины Rэ и Rэо,
  т.е. номиналы всех резисторов схемы на данном этапе расчёта будут определены,
• коэффициент усиления по току транзистора: Кi,тр.= ?= h21э,
• коэффициент усиления по току схемы: Кi.ус = iк/iвх = h21э_* R_б/( R_б+ Rвх.тр.ос),поскольку i_вх=i_б+i_д= i_б*(1+ Rвх.тр.ос/ R_б),если R_б » Rвх.тр.ос, то Кi? Кi,тр.,
• усиление по мощности находится как произведение Кu.ус.* Кi.ус,
• выходное сопротивление усилителя находится по теореме об эквивалентном генераторе: R вых.ус.=Uхх/iкз =Rк*iк/iк = Rк.

Далее необходимо рассчитать величины емкостей конденсаторов схемы так, чтобы корректно выполнялись принятые ранее допущения. Рассмотрим эквивалентную схему для конденсатора С1, разделяющего по постоянному току источник входного сигнала и вход усилителя (рис.47)

Рис.47. Эквивалентная схема замещения входной цепи усилителя.

Ранее было показано, что для простейшей электрической цепи подобного типа (С1-закорочен) коэффициент передачи равен: К = Uвых/Евх =  Rвх.ус./ (Rвх.ус.+ Ru) , для цепи, показанной на рис.47 этот коэффициент будет комплексной величиной:

Влияние реактивности Хс удобнее оценивать относительным коэффициентом передачи:

где:? –постоянная времени RС-цепи.

При правильном выборе С1, фазовыми сдвигами на рабочей частоте можно пренебречь и пользоваться модулем относительного коэффициента передачи цепи:

Задавшись ?=0,99 ( потери сигнала на Хс1 не более 1%) можно найти величину С1, удовлетворяющую допущению Хс1?0, действительно в этом случае wt = 7 , тогда:

Аналогично можно найти  величину С2:

Величину ёмкости блокирующего конденсатора Сэо можно найти из очевидного соотношения :Хсэо«Rэо (в 10-100раз).Таким образом, приведенная методика позволяет рассчитать все элементы и режимы схемы усилителя с ОЭ ,кроме того, она дает подходы к анализу многих других транзисторных схем. Следует отметить, что окончательная  установка заданного коэффициента усиления может быть осуществлена регулировкой резистора Rэ.