книги / Стабилизация параметров транзисторных усилителей

Решение уравнения					(5-47) дает tg срэ«1 «0,0046.
3.	Сопротивление резистора <R 'a						при	ai «02= 0,97 определяем из
формулы	(5-87):
					0 ,9 7 ( 1 2 - 1 )
Я '. =	16,7-10 ~ 8-f-( 1—0,97)-402- 10-*—2*0,4-10 ~* = 382 ом.
4.	Требуемая величина приращения тока								в цепи коллектора тран­
зистора первого каскада					при
				0,97		13,5-10-*
		r62— 1—0,972				402-10"*.	— °-54		ом>
	I 2V=I =			0.54_+		" V - l i ? 8	=	62' 6	0М
определяется		по	формулам (5-55) — (5-59):
						60-62,6
			” п20 °С ~			60 -f- 62,6 =		0М'
			62,6-6O-1O(20-50)-o'004G
	Rnt	=	62.6+ 60 - ю<20—5°)*°*0043					= 25,8 ° М'
			Г			12	— ™ ш >
			7320 °С —			30,7 + 384
				30	7 __25 8
		Д/s t =		25,8 +		384 ’29‘ 10-11 =
Д/к1, =	16,7 .10 -*				1 —	0,35-10-*-384 ^ ,„30.0.0043
						---------- i	/	|0
						= 3,25 мл.

5. Рассчитаем сопротивление ft iienii параллельной ООС.

Как было показано в § 4-1, у каскадов рассматриваемого типа существует жесткая зависимость между выбранным рабочим режи­ мом и коэффициентом режимной нестабильности.Si. В рассматривае­

мом случае из (4-8а), учитывая, что		R h= R 'з и		обратный		ток кол­
лектора транзистора	'П201А/Ко<0,4	ма.
С,	12 — 16,7-10-3-382				= 1 4 6 ,3 ,
— 1—=	---------------------------------------------------------382 [16,7 - 10"3 (1 — 0,97) — 0,4 - 10 - 3 |
я/?н
откуда	С±=0,97 • 382 • 140,3=54,2 - 103.
Уточним величину тока коллектора. Согласно				(4-5) и		(4-6)
	146,3		_
	1 + (1— 0,97)-146,3		27,1 ;

0,97-12

/, = 27,1 ('О,4 -lQ- 3 + T 4 ,2 .1 0 - 3 - ) = i 6 , 6 ма.

Для того чтобы обеспечить достижение требуемых компенса­ ционных свойств сопротивления эмиттер — коллектор* транзистора пер­ вого каскада (tg<pimi«0,046 и iA/mt«3,25 ма), необходимо произ­ водить отбор транзисторов П201А по величине обратного тока кол­ лектора. На основе формулы (4-8) среднее значение упомянутого тока

3,25-IQ -3

7K#I ^

27 I • [2(0,1•50~ 2) __1 ] ^ 11 МКа’

6. Сопротивление ООС из (4-7а) при R2> Z DX „

R"o.c=382(0,97 • 146,3—1) =63,8 ком.

Аналогичным образом были рассчитаны параметры усилителя мощностью 100 мет. Результаты расчетов и уточненные значения со­ ответствующих параметров, полученные после отладки усилителен, приведены в табл. 8-10.

						Т а б л и ц а 8-10
		Усилитель мощностью I вт				Усилитель мощностью
Параметр						100 мет
		Расчетные	После отлад­			Расчетные	После отлад­
		данные		ки		данные	ки
R’о.с. ом		1.8		1.8		11,2	13
R"о.с. ком		53,8	1	46		98,5	95
Rfg,	ком	0,382		0,560		1,83	2,0
/щ,	ма	16,7		20	•	5.0	5 ,0
/ц2»		402		400		66	60

7.В рассматриваемом случае мощность, рассеиваемая в коллек­

торном .переходе транзистора выходного каскада, при UK2=10 в Р „ а = 400-10-3-10=4 вт.

При отсутствии теплоотвода температура коллекторного перехо­ да транзистора П4Б, имеющего тепловое сопротивление 1?*=30 °С/вт

(см. табл. 1-2), согласно формуле (1-72) составит: А/р= 5 0 + 3 0 • 4 = = 170°С, что значительно превышает допустимую максимальную тем­ пературу для данного типа транзистора (/кР.п ^ 9 0 °С ).

Применим теплоотвод. Тогда яри свободной конвекции окружаю­ щего воздуха и нормальном атмосферном давлении разностная тем­ пература согласно формуле (1-76) составляет:

А/р = 90 — (50+ 2 • 4) = 32 °С.
Здесь согласно табл.	1-2 тепловое сопротивлениеR' tz —2 °С/вт.
Из графика рис. 1-21	коэффициент теплоотдачи В » 30 см2/вт.

С учетом этого требуемая площадь излучения теплоотвода согласно формуле (1-77)

Риэл = 30 • 4 = 120 см2.

Расчет площади			теплоотвода по формуле (1-78) дает:
		IIзл	1,3-10-3		[90 — (50 + 2-4)]			= 96	см2.
В реальном усилителе транзистор П4Б был помещен на теплоот­
воде из красной меди с площадью						излучения Faзл » 1 2 0				см2.
Представление			о	стабильности		рабочего	режима		и	коэффициен­
та усиления усилителей мощностью 1 вт и								100 мет дают данные
табл.	8-11.							Т а б л и ц а			8-11
	Усилитель мощностью 1 от					Усилитель мощностью 100 мет
/, °с	^KI9	!кг’		% s-	kf .	ма		^К2*	kVZ>		kf.
	ма	ма		дб	%			ма		дб	%
+ 5 0	17,5	340		50	4,0	5 ,6		50		46	2,5
+ 2 0	20,0	400		47	2 .5	5,0		66		44	2,0
— 40	15,8	450		44	2,0	4,6		82		43	2 .0
Усилитель с взаимозависимым смещением. Усилитель выполнен
по схеме рис. 5-12 и имеет тот ж е рабочий режим, что и										рассмотрен­

ный выше усилитель соответствующей мощности.

Расчет параметров элементов, обеспечивающих установление тре­ буемого рабочего режима усилителя мощностью 100 мет и его ста­ билизацию, может быть выполнен по следующим формулам:

1.Сопротивление резистора в цепи эмиттера транзистора выход­

ного каскада при t / Bï=	0 ,2 в, а2=0,97 и /коа=0,4 мв определяется на
основе формулы (5-78)	:
	(1 — 0,2).0,97
R'0.0=	(66 — 0,4). 10-• = 11,8 ом.

2.Сопротивление в цепи смещения транзистора первого каскада

при <21=0,98 и / «о! = ,Ю мка согласно формуле (5-103) составит:

R,г	0,98	(66 — 0,4)- 1 0	- s - 11,8
	0,97 . 5* 10- î (1—0,98)		— 10- 10-e
где согласно	ранее	выполненным	расчетам |Z Bx i|= 3 1 1 ом.

Точность расчета усилителей с взаимозависимым смещением су­ щественно зависит от величины коэффициента передачи тока эмит­ тера транзистора первого каскада. Для применявшихся в этом кас­ каде экземпляров транзисторов МП13Б величина ai составляла 0,97—0,985. При расчете принято a i=0,98.

3. Сопротивление в цепи нагрузки первого каскада согласно фор­ муле (5-104) составит:

12— 1
5- 10-*-f-l/410 — 1,48			кон'
где
0,97	13,5-10 -8	_	п
гй2— 1 — 0,972	66-10-*	~	3,32 ол;

0,97-25.10	-*
гвг— G6.10-»	= 0,37	ом;
I ^\х г I — 3,32 + j _I^ot97 =		4Ю ом.

Результаты расчета и измерений показателей рабочего режима усилителя с взаимозависимым смещением приведены в табл. 8-12. Там же представлены данные, позволяющие оценить изменение рабо­ чего режима при смене транзисторов.

						Т а б л и ц а 8-12
		Рассчитанные	По данным измерений для различных пар
Параметр				транзисторов
		данные
			1-я		2-я	3-я
Я'о.с ОМ		11,8	13	-	13	13
# г, ком		8,4	7		7	7
Rt\	ком	1,48	1,75		1,75	1,75
f Kli Md		5.0	5,0		6,0	6 .0
7jj2,	mo	66	65		60	62

Результаты испытаний усилителя с взаимозависимым смещением в камерах тепла и холода -представлены в табл. 8-13.

			Т а б л и ц а		8-13
/. "С	/к1, ла	‘нг ма	ky\it дб	Kf. %
+50	6,3	55	41		4.5
+20	6,0	62	41		5,5
- 4 0	5,2	73	42	1	6,0

Усилительный каскад с параллельно-последовательной ООС. З а ­ даны: Р в= 2 мет, |Z n| = l ком; |Z r|=6QQ ом;-Ар^ 1 0 дб; ô i^ 0 ,3 ; Е —12 в И /такс“ +60 °С.

Примем, что в каскаде применен транзистор типа МП13Б и дол­ жен быть реализован рабочий режим, при котором /к = 6 ма и Ùn= =5,0 в. Для выбранного типа транзистора согласно справочным дан­ ным J3м ии= 30 ; (5макс = 60; /к о ^ Ю мка\ А/ко= 30 мко.

Каскад может быть выполнен по схеме рис. 3-6 или 9-3.

Расчет параметров .каскада целесообразно произвести в такой последовательности:

I. Определим требуемую величину коэффициента режимной не­ стабильности:

а) из формулы (3-10), учитывающей допустимую величину при­

ращения тока	коллектора транзистора и производственный разброс
коэффициента	передачи тока	базы, получаем:
		0 ,3
	s, —	30. ю -e — 17,9>

1 ,6 7 -1 0 -* + “ё Г к Р ? -

где согласно формуле (3-12)

60 — 30

60-30 = 1,67-10-*;

б) из формулы (3-15), учитывающей влияние на стабильность рабочего режима температуры окружающей среды, имеем:

0 ,3	6 -Ю -з
~ 2(0.1-60 — 2)— I	10- 10-е	— 12,°-

В соответствий с изложенным ранее принимаем коэффициент ре­ жимной нестабильности равным 12,0.

II. Рассчитаем сопротивления резисторов в цепях ООС. Возможны несколько вариантов:

установление требуемого рабочего режима каскада на постоян­ ном токе обеспечивается с помощью резистора R"o.c, а резистор R'o.c используется для достижения необходимой глубины ООС на

переменном	токе;
требуемый рабочий		режим на постоянном токе устанавливается
с помощью	резисторов	R'o.c и R "0.c, а для достижения необходимой

глубины ООС на переменном токе используется схема с шунтирую­

щими	конденсаторами		Cj и Сг типа изображенной на рис. 9-4,
III. Произведем расчет по первому варианту.
1. Выполним расчет по формуле (4-8а)
	С, _		12 — б -Ю -М -Ю *				„ „
	S E jr“ " I-1 0 » [6 -1 0 -* (r— 0.98)				— 10 -10 -в] ~ 54,5,
2.	По формуле	(4-5)
				54,5		• =	26.
	s i =		1 +	(1 — 0 ,98)-54,5
3.	Задавшись		=	0,2, из формулы		(4-9а) определим;
	R"о.о “	2-0,98-20-1•10*			1 • 10* =		41,5 ком;
		-----1 -f- 0,2

Ь05

4. Рассчитаем сопротивление резистора Х'г. Согласно формулам (1-9а), (1-12) и (3-52) получим:

0,98	13,5-10-»
— 0,98й 6-10-»				— 110 ом•
0,98-25-10-*
г9~	6-10-»	=	4,08 ом\
	4,08
Z .I = 1 1 0 + 1 - 0 ,9 8			=	350	ом.
Тогда
	0,350
Я2 “	0,2 sïs 1,75			ком.
5. Рассчитаем сопротивление		R '0.с.
На основе формулы (4-28)		(S) _	! ) ( ! _		а) 1

R’о.с =

откуда

Z',OéC I —

(12

1 + 1 3 7 ,

1

Si — 1

1 —S, (1 — а)

г а	m f i I	(26	— d	o	— 0.98)
(2b	1 2 ) j l +	i _ 2 6		(1 — 0,98)
	1
10»	1,75-10»		[ н	- т	= 1 г Ь и ] }

=83 ом

6.Рассчитаем глубину ООС на -переменном токе по формуле

(4-49)

				(49 4- 1 )- 0,083			v
			+	0,291			X
		( 1 + 0 ,6).		^4S49 +	1	1 + 0 ,6		•0	,291^
						1-0,6
X	1 +								+
				(49 + 1 )4 1 ,5
,		1*0,6	/		1 + 0 ,6				\
+	41,5-0,291		( 4 9 + 1 +		1-0,6		0,291 j = 18,3,
где согласно формуле			(4-50) Z 'BS=0,35 • 1,75/(0,35+1,75) =0,291 ком.
Потери усиления при этом составят;
	Д		КР		10 lg	18,3 = 12,6			дб.
		= 10 lg ~р----- =
		*		ос
что -превышает допустимую величину.
7.	Для	создания		некоторого		производственного запаса примем
Д 'р ^ 9 ,5 дб. Тогда глубина ООС на переменном токе
		р=10°.‘Д,Р=10°>1				9,5=8,9.

(8 ,9 — 1)-41,5-291 -

1 + 0 ,6

•0 ,291 j

1-600^49 + г,1

Z'o.C2 1=

1-0,6

Г

I

п

г 1 + 0 ' 6

- П

^ - 0 , 291^

(49 -f- 1)

41

Г

1,0,6 1-0,6б ( 49 + 1 +

(49 -f- 1 )4 1 ,5

Т

+ ----------------- й

=

30

ом.

При

этом

|Z'o.ci 1=83,6—30=53,6 ом.

Д ля

реализации схемы

каскада, изображенной на рис. 9-3, при

такой величине сопротивления резистора Z'o.ci и нижней граничной

частоте

полосы

эффективной

передачи

/и = 300 гц

конденсатор

С2

должен иметь емкость порядка 100 мкф. Поэтому

более целособраз-

но допустить некоторое отклонение от выбранного рабочего режима

на постоянном токе. П олож им Z '0.о=20

ом.

Тогда нз формулы

(4-28)

получим:

26 +

20

I

20

I

1 000

+

1 750

+

1 +

1 000 +

1 750

[

20

1

2 6 — 1

J .-

26(1

- 0 , 9 8 ) + T W

1 — 26.(1 — 0,98)

,

/

_

20

\

2 6 — 1

=

21,1.

+

^1 — 0 ,9 8 +

2100 J

J — 26 (1 — 0, 98)

8.

Проверим

величину

тока

коллектора

по формуле

(4-24):

/ , =

2 1 ,1 .1 0 .1 0 - ° +

-4 1 ~

0з

( 2 1 ,1 - 1 )

=

6,02 т .

9.

Оценим

ожидаемое

прира.щенне коллекторного

тока

транзи­

стора

при максимальной

рабочей

температуре.

Согласно

формуле

(4-25)

ДI " Kt =

21,1 -10 . ю-®[2<°*Ь60- 2>— 1 ]

, 1 6 > а .

В табл. 8-14 приведены результаты расчета параметров транзи­ сторного каскада с параллельно-последовательной ООС и- уточненные данные, полученные после отладки усилителя.

						Т а б л и ц а 8-14
1я,ма	ОМ	* " 0.в. ком	R2, ком	Д /"кt , ма	5	Примечание
6,02	20	41,5	1,75	2,52	21.1	По данным расчета
5 .8	16,5	35,4	2 .6	2.1	17,3	После	отладки
IV.	Произведем расчет по второму варианту.
1. Рассчитаем по формуле				(4-15)
		0 ,9 8 (1 2 — 5 — 6 - 1 0 - * .М 0 а)				= 163	ом.
	I Z'o.e I =		б -Ю - а — Ю -Ю -»

2. Из формулы (4;26а) определяем:

163	(	163
] + 1 000	+	1 750
12"о, 1= | _ 12(1— 0,98)		163“ ’ 1‘ 103 <
1 2 ^ 7		1750

Следовательно, при выбранных исходных данных каскад не мо­ жет быть реализован, так как не выполняется условие, выраженное соотношением (4-21а).

3. Определим по формуле (4-266) значение коэффициента ре­ жимной нестабильности, при котором может быть осуществлен кас­ кад рассматриваемого типа:

1 -f- 163/1 750

1 — 0,98 4- 163/1 750 < 9 , 7 -

4. Примем з = 7, тогда из (4-26а) найдем:

/ ,	163	,	163	\	,	|П
У	+ 1 000	+	1 750	j	' 1' 10*
Я"о.с=	1 — 7(1 — 0,98)				Ï63	= 25 К0Мт
	Т— \			1750“

5. Нетрудно убедиться в том, что при полученной величине со­ противления резистора R"0.с будет иметь место значительное изме­ нение коллекторного тока транзистора. Действительно, из формулы (4-24) следует:

12 / к= 7-10-10~® + "25Л0*"(7*— 1 ) ^ 3 ,0 ма.

6. Для сохранения выбранного ранее рабочего режима при s = 7 согласно формуле (4-24) сопротивление резистора R"0.c должно быть равно:

	к ,		________ ! - 1 i.j,[	—	КОМ.
	*	о с.— 6 -10-* — 7-10* 10-°
7.	Как	и	в рассмотренном ранее	примере,	при |Z 'o.c| = 163 ом

потери усиления превышают допустимую величину. Применение шун­ тирующего конденсатора также нецелесообразно. Поэтому допустим

некоторое	отклонение	от выбранного рабочего режима, положив
|Z 'o.c|=20	ом (см. п. 7 предыдущего расчета).
Тогда из формулы		(4-5) имеем:

15,7/0,98-1

= 12.3,

1 + (1 - 0 . 9 8 ) - о д а

где согласно формуле (4-4)

/0,35\

1 = 11 + T j g j (12.1 + 1) = Ï5.7 кож.

20

20

12,3 +

• 1 000

I 750

+

s —

20

20

1 + '

000

1 750

+

12,3(1 — 0,98) - f

J 750 J * 1 — 12,3 (1 — 0,

.

,

20

\

1 2 ,3 — 1

10,9.

+

( 1 — 0 ,9 8 +

-,-750 j . , _

i2 ,3 (1 — 0, 98)

8.

В

данном

случае

величина

тока коллектора

согласно

форму­

ле (4-24)

/ „ =

1 0 ,9 .1 0 - 1 0 - ° +

!2/12 103~ С10»9 — 0 =

9,97

ма.

9.

Оценим ожидаемое

приращение

тока

коллектора

согласно

формуле

(4-25):

&1"щ = 10,9 • 10 • Ю -с[2(0-1•С0_2) — 1]= 1,64

ма.

10. Глубина ООС

согласно

формуле

(4-49) составит:

( 4 9 + 1)0,02-

F ~

l +

'

0,291

X

1 +

(

1 +

1 + 0 , 6

\

0 ,6 ^49 +

[70^6

0,291 J

х [

н

(4 9 + 1 ) .1 2 ,1

+

12,1.0,291

( 49 +

1 +

Ь 0 ,6

°»291)

=

18’95

Потери усиления при этом равны:

А р = 101g 18,95= 12,8 дб.

Полученная величина несколько превышает допустимую.

Как следует из ранее изложенного, повышение стабильности кас­ када при сохранении выбранного рабочего режима на постоянном токе сопряжено с трудностями, которые не всегда удается преодо­ леть. Известная свобода действий в этом направлении появляется только в случае, когда одновременно с изменением степени стабиль­ ности рабочей точки имеется возможность изменять рабочий режим каскада на постоянном токе, причем симметричное расположение ра­ бочей точки не является обязательным.

Оценим теперь стабильность рабочего режима и параметров рас­ считанных выше каскадов с параллельно-последовательной ООС при

смене транзисторов и	колебаниях	температуры	окружающей	среды.
Д ля возможности	получения	сравнительных	данных был	иссле­

дован такж е каскад с фиксированным смещением, характеризующий­ ся следующими данными: £ = 1 2 в\ Дн= 1 ком и /?см=62 ком.

Экспериментальные данные, лозвбляйщйе судить о нейта&гльйдсти входного сопротивления, а также коэффициентов усиления по току и напряжению каскада с фиксированным смещением при смене транзисторов и температуре окружающей среды t= + 2 0 °C , приведе­ ны в табл. 8-15.

						Т^гГб'ли'ца		8-15
№ транзисторов	Ук' ма	«/,	2.х‘	%	Ки	®к£/*	К/	*КI'
		%	ОМ			%		%
1	5.0	—	200	—	117	—	24,5	—
2	9,8		220		160		35,5
3	11,4	—	180	—	135	—	28,7	—
4	7,3	—	205		142	—	29,2	—
5	10,1	—	170	—	180	—	30,5	—
6	4.8	—	210	—	103	—	21,6	—
Среднее значе­	8,05	79	200	25	140	55	28,3	49
ние

Оценка производилась по отношению разности максимальной и минимальной величин соответствующего параметра в зоне разброса к его среднему значению, причем

*	Лс.макс	Лс.мнн 1 ппя /.
о, =	----------	,------------• ШU°/o,
	7	‘ к сР
*		__7
	^вх-макс	^ах.мпи	• 1иО°/0;
6„ = --------	7-----------------

"вх-ср

*макс Кц мип

«ки =	-------- Щ --------------ср	• 100%
.	макс	мин ,
К / = --------	Y-----------I ср	•100о/о*

Изменение параметров при температуре окружающей среды до +60 °С было проверено на транзисторах № 1, 4 и 6 (транзисторы № 2, 3 и 5 оказались при этом в режиме насыщения). Результаты измерений приведены в табл. 8-16.

						Т а б л и ц а		8-16
№		ьн,	z.xf		Кш			®к/Л
транзисторов	ма			%		%
		%	ОМ					%
1	8,0	60	167	—16,5	134	14,5	22	— 10,2
4	10,0	37	177	—13,7	157	10,5	24,3	— 16,8
6	8,8	83,5	163	—21,4	123	19,4	20	- 7 , 4
Среднее	8,95	60	169	— 17,2	138	14,8	22,1	—8,15
значение

210