Расчет каскадов усилителя по постоянному току

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 10Следующая ⇒

Расчет К-цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов и расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность.

Напомним, что выходной каскад был рассчитан ранее, а количество каскадов предварительного усиления равно (N-1). Для транзистора выходного каскада режим выбран ранее (п. 2.2), исходя из требуемой выходной мощности (2.4), (2.5).

При выборе режимов транзисторов каскадов предварительного усиления следует иметь в виду, что предыдущий (S – 1) каскад должен обеспечивать требуемый уровень сигнала на входе последующего (S) каскада. Учитывая потери сигнала в межкаскадных цепях, постоянный, ток коллектора транзистора (S – 1) каскада можно принять

или приближенно (с большим запасом)

I_к(_S_-1)³ 0,1I_к_S. (3.1)

Постоянное напряжение коллектор - эмиттер рекомендуется выбирать, соблюдая неравенство

U_кэ(_S_-1)≤ U_кэ_S. (3.2)

Рекомендуемые границы выбора режима работы транзисторов предварительных каскадов:

1 мА ≤ I_к ≤ 15 мА, 2 В ≤ U_кэ ≤ 5 В. (3.3)

В расчетах полагаем эмиттерный ток равным I_к, пренебрегая током базы ввиду его малости.

При использовании в усилителе кремниевых транзисторов значения напряжений база-эмиттер можно принять равными

U_бэ ≈ (0,5...0,7) В; (3.4)

для германиевых транзисторов U_бэ ≈ (0,1...0,3) В.

После выбора режима транзисторов следует вычертить схему К-цепи в виде рис.3.1 или 3.3 (с учетом заданной в техническом задании полярности источника питания Е₀, выбранных в п. 2 транзисторов и полученного в эскизном расчете числа каскадов N), нанести на схему выбранные напряжения и токи режимов работы в цифрах. Далее следует, используя второй закон Кирхгоффа и реализуя режим А работы транзисторов, составить уравнения, связывающие напряжения на электродах транзисторов выбранной принципиальной схемы.

Отметим, что напряжения на электродах u_к, u_б, u_э определяются относительно корпуса.

Для принципиальной схемы рис. 3.1:

u_э3 = Е₀ – U_кэ3;

u_б3 = u_э3 + U_бэ3 = u_к2;

u_э2 = u_к2 – U_кэ2; (3.5)

u_б2 = u_э2 + U_бэ2 = u_к1;

u_э1 = u_к1 – U_кэ1;

u_б1 = u_э1 + U_бэ1.

Для принципиальной схемы рис. 3.3:

u_э3 = Е₀ – U_кэ3;

u_б3 = u_э3 + U_бэ3 = u_к2;

u_э2 = u_к2 + U_кэ2; (3.6)

u_б2 = u_э2 – U_бэ2 = u_к1;

u_э1 = u_к1 + U_кэ1;

u_б1 = u_э1 – U_бэ.

Для обеспечения стабилизации режима первого каскада необходимо выполнить неравенство

u_э1 ≥ 0,5 В (3.7)

для рис. 3.1 или

Е₀ – u_э1 ≥ 0,5 В (3.8)

для рис. 3.3.

Если условие (3.7) или (3.8) выполнено, то следует продолжить расчет, отметив на схеме выбранные и рассчитанные напряжения и токи. Так как сопротивления транзисторов имеют технологические допуски, возможно пренебречь токами базы I_б и считать I_э ≈ I_к.

Сопротивления резисторов схемы рассчитываются по закону Ома: R = ΔU_R/I, где ΔU_R – разность напряжений, приложенных к резистору, а I – ток, протекающий через него.

Следует отметить, что из-за гальванической ОС через коллектор транзистора VТ3 (3.1) протекает сумма токов I_к3, I_к1, I_б2. Так как I_к1 << I_к3 и I_б2 << I_к3, можно считать I_к3 + I_к1 + I_б2 ≈ I_к3.

Сопротивление R_б выбирается 3…5 кОм из условия малого шунтирования входного сопротивления первого каскада. Окончательное значение R_б будет зависеть от выбранной схемы входной цепи усилителя с обратной связью и будет уточнено в п. 6.

Если условие (3.7) не выполняется в первоначальном расчете по уравнениям (3.5) или (3.6), то можно уменьшить напряжение U_кэ на транзисторе одного (или двух) из каскадов предварительного усиления; соблюдая граничные условия (3.3), и вновь проверить условие (3.7).

При невозможности соблюдения этого условия следует ввести в схему разделительный конденсатор С_р2, например, перед выходным каскадом, как показано на рис. 3.2.

Так как транзистор VТ3 (рис.3.2) не связан по постоянному току с транзисторами VТ1 и VТ2, расчет их производится отдельно. Уравнения для расчета резисторов каскадов VТ1 и VТ2 примут вид:

u_б1 = u_э1 + u_бэ1;

u_к1 = u_э1 + U_кэ1 = u_б2; (3.9)

u_э2 = u_б2 – U_бэ2;

u_к2 = u_э2 + U_кэ2.

Значение u_э1 выбираем, как было приведено ранее u_э1 ≥ 0,5В.

Для каскада VТ3: u_э3 = Е₀ – U_кэ3; U_б3 = u_э3 + U_бэ3.

Расчет резисторов производится аналогично рис. 3.1 и рис. 3.2.

Для расчета базового делителя R_б1 и R_б2 следует выбрать ток делителя I_д = 0,1I_к3 и рассчитать R_б1 = Е₀ – U_б3/(I_д + I_б3) и R_б2 = U_б3/I_д.

Пример:

Дано:

Е₀ = + I2 B. Продолжая пример из пп. 2.2 и 2.3, где было найдено N = 3 и выбраны для предварительных каскадов транзисторы КТ345Б (р-n-р), а для оконечного КТ608А (n-р-n), задаем режим работы предварительных каскадов. Пусть в п. 2.2 был рассчитан режим работы выходного транзистора: U_кэ3 = 9 В, I_к3 = 17 мА.

Решение:

С учетом рекомендаций (3.1) - (3.4) задаемся: I_к2 ≥ 0,1I_кЗ = 0,1×17 мА, принимаем I_к2 = 5 мА, I_к1 = 1 мА, U_кэ2 = 4 В, U_кэ1 = 3 В, U_бэ1 = U_бэ2 = U_бэ3 = 0,5В. Вычерчиваем схему К-цепи в виде рис. 3.3 с учетом положительной полярности Е₀ и выбранных типов транзисторов р-n-р и n-р-n структур, наносим на эту схему выбранные выше напряжения и токи режимов работы (рис. 3.4).