Импульсный усилительный каскад

 

 

Значения g – параметров транзистора измерены при и

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор режима работы выходного каскада по постоянному и переменному  току.

Важной задачей этого пункта является выбор режима работы выходного каскада. Пусть выходной транзистор будет включен по схеме общий эмиттер. Необходимо выбрать рабочую точку (А) на семействе выходных статических характеристик транзистора. Для того чтобы выбрать режим работы по постоянному току, необходимо выбрать ток коллектора () и напряжение () в  рабочей точке. Величина тока коллектора выбирается из выходной вольт-амперной характеристики Диапазон  значений тока коллектора, в которых он может  находиться  определяется  следующей системой неравенств:

 

где  - диапазон разброса параметра и определяется как среднее геометрическое 

 

 

 

Пусть рабочая точка (А) имеет координату по оси тока коллектора равную , а по оси напряжения коллектор – эмиттер равную ,

где – минимальное напряжение на транзисторе, при котором он гарантированно не входит в область насыщения.

 

Зная координаты рабочей точки (А), величину импульса тока коллектора и величину импульса напряжения на нагрузке  , определим режим работы по переменному току, построив рабочий отрезок  нагрузочной прямой АБ на выходных статистических ВАХ транзистора, по которому перемешается рабочая точка в процессе усиления сигнала (рис.1.2.1.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор рабочего отрезка нагрузочной прямой транзистора в выходном каскаде импульсного усилителя.

 Проверим тепловой режим  транзистора. Для этого определим  максимальную температуру перехода  транзистора:

,

где – средняя мощность, рассеиваемая транзистором, которую можно рассчитать:

,

где – скважность импульсов, тогда средняя мощность равна:

 

 

Подставляя значение находим максимальную температуру перехода транзистора:

.

Полученное значение максимальной температуры перехода не превышает максимально допустимой для выбранного транзистора: ().

 

 

 

 

 

 

3. Расчет выходного каскада  по постоянному и переменному току, включающий расчет элементов задания и стабилизации режима.

 

Расчет элементов стабилизации режима работы транзистора начинается с определения величины коллекторной нагрузки . Величина  определяется из полного сопротивления нагрузки каскада по переменному току , которое представляет собой параллельное соединение с активной составляющей нагрузки каскада :

 

Полное сопротивление нагрузки по переменному току определяется наклоном нагрузочной прямой на выходных ВАХ транзистора (см. рис. 3.2.1.) и рассчитывается как

 

Определив величину , рассчитаем сопротивление коллекторной нагрузки:

 

 

 

Таким образом, нагрузочная прямая переменного тока описывается уравнением  прямой, проходящей через заданную точку (А), а ее наклон определяется величиной активного сопротивления для переменного тока ,и имеет вид (см. ниже рис. 3.3.2.):

 

По закону Кирхгофа определим напряжение питания каскада, которое складывается из падения напряжения на коллекторной нагрузки , падения напряжения на сопротивлении обратной связи и напряжения на коллектор – эмиттер в рабочей точке:

 

Поскольку ток базы транзистора в  меньше тока коллектора, им пренебрегаем и считаем, что ток эмиттера равен току коллектора. Кроме того компромисс между стабильностью режима и энергетикой каскада достигается ,когда на падает 10…15 от всего напряжения питания. Тогда напряжение питания каскада равно:

 

 

Из стандартного ряда напряжений выберем напряжение питания. .

Зная напряжение питания каскада  и координаты рабочей точки рассчитаем величину сопротивления :

 

Округлим до ближайшего значения

Зная сопротивление находим сопротивление нагрузки для постоянного тока:

 

и составим уравнение нагрузочной прямой для постоянного тока:

 

Построим нагрузочные прямые по постоянному и переменному току. Нагрузочная прямая по постоянному току пересекается с нагрузочной прямой переменного тока в рабочей точке (А). Они изображены на рис. 1.3.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3.1. Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.

Ток базы в рабочей точке находим по семейству выходных статистических ВАХ транзистора (см. выше рис. 1.3.1.):

.

Для расчета сопротивлений базового делителя необходимо задаться током делителя . Чем больше ток делителя, тем выше стабильность режима работы, но тем больше мощность, рассеиваемая резисторами и , и тем выше входное сопротивление каскада. Для получения приемлемой стабильности режима ток делителя должен как минимум в несколько раз превосходить ток базы в рабочей точке. Обычно величина тока базового делителя должна удовлетворять условию:

 

 

 

Выберем ток делителя .

Используя семейство входных статистических ВАХ транзистора, по известному току и напряжению находим напряжение база – эмиттер в рабочей точке (рис. 1.3.2.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3.2. Выбор напряжения база – эмиттер в рабочей точке.

.

По известному току делителя и напряжению база – эмиттер в рабочей точке находим сопротивление резисторов делителя, обеспечивающие это напряжение:

 

 

Округлим до ближайшего номинального значения .

 

Током базы пренебрегаем  т.к. :

 

 

Номинальное значение в ряду стандартных сопротивлений

В итоге получили следующие параметры:

 

 

 

По рассчитанным параметрам элементов стабилизации режима работы транзистора следует рассчитать величину относительной нестабильности тока коллектора:

 

где – абсолютное изменение тока коллектора при изменении температуры кристалла транзистора; – абсолютное изменение напряжения база – эмиттер при изменение температуры перехода на величину ; – абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры; , – коэффициенты, учитывающие работу схемы эмиттерной стабилизации тока коллектора транзистора; – общее сопротивление в цепи базы; и – g-параметры транзистора в рабочей точке при комнатной температуре.

Взяв максимальную температуру перехода транзистора определим минимальную температуру перехода:

 

 

Изменение температуры перехода транзистора:

 

Абсолютное изменение напряжения база – эмиттер:

.

 определим  используя типовые нормированные  зависимости обратного тока коллекторного  перехода от температуры, приведенные на рис. 1.3.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3.3. Типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры.

 

На рис.1.3.3. – обратный ток коллектора при температуре перехода  ; – обратный ток коллектора при комнатной температуре (берем  из табл. 2); зависимость 1 соответствует кремниевым транзисторам  малой мощности (), по которой находим нормированное значение изменения обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры перехода на величину :

 

Тогда абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода:

.

Для нахождения коэффициентов и рассчитаем g – параметры транзистора в рабочей точке при комнатной температуре, используя справочные значения , и  - табл.2:

 

 

И общее сопротивление в цепи базы равно:

 

Зная и g – параметры найдем коэффициенты и :

 

 

 

Рассчитаем величину относительной нестабильности тока коллектора транзистора , по уже известным значениям (для каскадов импульсных усилителей она не должна превышать 0,25):

 

 

 

 

 

4. Определение  низкочастотных и высокочастотных параметров транзистора выходного каскада в средней точке.

Для расчета выходного каскада импульсного усилителя необходимо определить четыре низкочастотных () и три высокочастотных () параметра транзистора в средней точке. Для определения g – параметров в средней точке можно воспользоваться входными и выходными статистическими характеристиками, а также  справочными значениями (см. табл. 2)g – параметров, пересчитав их к нужному положению рабочей точки транзистора. В нашем случае возьмем справочные значения и пересчитаем их в средней точке. Для этого найдем координаты средней точки по выходным статистическим ВАХ транзистора (рис. 3.4.1.). Причем  средняя точка (В) лежит на рабочем отрезке нагрузочной прямой и имеет координату по оси тока коллектора равную

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.4.1. Выбор положения средней точки нагрузочной прямой транзистора в выходном каскаде импульсного усилителя.

 

По оси напряжения коллектор – эмиттер находим координату  средней точки:

.

 

Зная значение тока коллектора в средней точке, рассчитаем g – параметры, для которых выполняется условие (малой величиной обратной проводимости передачи обычно пренебрегают и принимают ):

 

 

 

Проверим правильность нахождения g – параметров:

 

По уже известным g–параметрам и координате средней точки,  определим высокочастотные параметры: емкость коллекторного перехода , объемное сопротивление базы    и постоянную времени транзистора .

Величину емкости коллекторного перехода при напряжении на коллекторе в средней точке рассчитаем, воспользовавшись следующей формулой:

 

где – справочное значение емкости, измеренное при напряжении (см. табл. 2):

 

Объемное или распределенное  сопротивление базы  приведено в табл. 2:

Постоянную времени транзистора в средней точке рассчитаем по следующей формуле:

 

где – крутизна транзистора (проводимость прямой передачи) в средней точки; – граничная частота транзистора; – параметр, зависящий от типа и технологии производства транзистора. Для нашего транзистора выберем , подставив все значения в формулу получим:

 

 

5. Расчет коэффициента усиления и времени установления выходного каскада по переменному току.

Для расчета коэффициента усиления и времени установления выходного каскада воспользуемся низкочастотными и высокочастотными параметрами транзистора, вычисленными в средней точке(см. п. 3.4.), эквивалентным сопротивлением и эквивалентной постоянной времени . Кроме того для коэффициента усиления и времени установление необходимо выполнение условия:

 

 

 

Так как нагрузкой выходного каскада является активное сопротивление , то эквивалентное сопротивление находиться по формуле:

 

учитывая то, что сопротивление мало влиянием  низкочастотного параметра пренебрегаем, при этом получаем что эквивалентное сопротивление равно полному сопротивлению нагрузки выходного каскада по переменному току:

 

Рассчитаем коэффициент усиления выходного каскада, зная  эквивалентное сопротивление и крутизну транзистора в средней точке:

.

Чтобы определить время установления выходного каскада  без ООС нужно найти эквивалентную постоянную времени:

 

где – постоянную времени транзистора в средней точке; , –постоянные времени, причем емкость нагрузки равна емкости монтажа и выбирается в пределах 5…10пФ. Поэтому для нашего каскада выберем  и рассчитаем постоянные времени:

 

.

По уже рассчитанным параметрам находим эквивалентную постоянную времени:

 

Тогда время установления выходного каскада равно:

 

Таким образом, получаем, что коэффициент усиления  выходного каскада слишком большой, т.е.  условие не выполняется. Нужно уменьшать коэффициент усиления. Заодно, уменьшим время установления, введя эмиттерную коррекцию (ООС по току).

 

6. Окончательный расчет выходного каскада по переменному току с учетом введенных цепей обратной связи и коррекции.

Расчеты предыдущего пункта показали, что для уменьшения коэффициента усиления необходимо введение эмиттерной высокочастотной коррекции. Для уменьшения в эмиттерную цепь  выходного каскада вводится ООС по току, которую обеспечивают конденсаторы и , и сопротивления и     (см.ниже рис. 1.6.1.). Причем, чтобы не менять режим работы транзистора по постоянному току сопротивление эмиттера разбиваем на два сопротивления и , т.е. их сумма равна:

 

 

Зададимся рассчитанным в п. 1.5. и нужным коэффициентом усиления:

 

 

где их отношение равно: – глубина обратной связи, отсюда следует, что сопротивление коррекции выходного каскада равно:

 

 

Ближайшее номинальное значение . Тогда  равно:

.

Зная сопротивление коррекции найдем эквивалентное сопротивление каскада :

 

или рассчитывается из отношения:

 

 

где  – эквивалентное сопротивление некорректированного выходного каскада по переменному току .Рассчитываем , взяв  номинальное значение  .

 

Тогда коэффициент усиления выходного каскада равен:

 

 

 

Время установления выходного  каскада с эмиттерной коррекцией, можно определить по следующей формуле:

 

где  – постоянная времени транзистора в средней точке ; - эквивалентная безразмерная величина; - безразмерная величина обобщенного времени установления, которая  находиться по  зависимости этой величины от коэффициента при разных коэффициентах . Эти коэффициенты и находятся по следующим формулам: