Методичка_САЭУ

Окончание табл. 8

Тран-	Тип	fТ,	IК max,	IК имп.,	UКЭ max,	PК max,	rб,	|h21Э|	CK/UКЭ,	g11*, g21*, g22*,			h21 min	h21 max	IКБО, RП-К,		RК-С,	TП. max,
зистор		МГц	А	А	В	Вт	Ом		пФ/В	мСм А/В мСм					мкА °С/Вт °С/Вт			°С
BD437	N	3	4	6	45	36	25	2.5	60/10	76	5.4	1.7	85	375	100	3.5	60	150
BD180	P	3	3	5	80	30	25	2	60/10	160	3.3	1.4	40	250	100	4.16	90	150
BD237	N	3	2	4	80	25	25	2	50/10	100	3.6	1.7	40	100	100	5	90	150
BD440	P	1.5	4	6	60	36	10	1.8	60/10	93	5.5	1.7	20	80	100	3.5	60	150

*– тип транзистора: N – n-p-n, P – p-n-p;

**– значения g-параметров транзисторов измерены при IК = 0.5 IK max и UКЭ = 0.5 UКЭ max..

Таблица 9

Тран-	Тип*	fmax,	IC max,	UСИ max,	PС max,	UЗИ max,	UОТС.,	Iут.,	S,	СЗИ, СЗС, ССИ,			RП-C,	TП. max,
зистор		МГц	мА	В	Вт	В	В	нА	мА/В	пФ	пФ	пФ	°С/Вт	°С
2N4416	1	400	15	20	0.1	25	3	0.1	4	4	1.2	0.5	250	125
2N5104	1	200	15	50	0.25	45	2	0.1	4	6	2	0.7	600	125
2N4223	1	200	15	15	0.15	15	3	0.1	4	5	1	0.6	500	125
2SK213	3	150	500	140	1.7	15	0	<0.01	160	90	10	1.5	80	150
2N3971	1	100	75	40	1.8	40	3	0.3	30	25	8	2	250	125
MPF107	1	100	20	25	0.2	30	3.5	0.5	4	6	2	1	500	125
2N7002	3	50	115	60	0.2	40	2.5	<0.01	90	50	8	1	625	125
2N3329	2	30	10	10	0.1	15	4	0.5	2.5	9	8	1	500	125
2SK511	3	25	300	250	8	90	3	<0.01	100	20	8	2	90	150
2SJ130L	4	20	1000	300	20	20	3	<0.01	300	230	15	5	100	150

* – тип транзистора:

1– с управляющим p-n переходом и каналом n-типа;

2– с управляющим p-n переходом и каналом p-типа;

3– с изолированным затвором и каналом n-типа;

4– с изолированным затвором и каналом p-типа.

7. ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРОВ ПРИ УСИЛЕНИИ ОДНОПОЛЯРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Выбор режима работы транзистора в усилительном каскаде зависит от множества факторов, в частности, от вида и величины усиливаемого сигнала, характера нагрузки, требований к коэффициенту полезного действия усилителя, требований к допустимым искажениям сигнала и т.д. В усилителях однополярных импульсных сигналов определяющими фактором при выборе режима работы транзистора, как правило, становится обеспечение заданной амплитуды импульса напряжения на нагрузке при малом времени установления и приемлемых энергетических показателях каскада.

iК	область	нагрузочная прямая для
	насыщения	переменного тока
	pК = PКmax		iБ4
	B		iБ3
		IКm	iБ2
	область
	отсечки	A	iБ1
IК.РТ			IБ.РТ
0		UКЭ.РТ	t
			uКЭ
UКЭmin	U2m

t

Рис. 7.1. Выбор положения рабочей точки транзистора в выходном каскаде импульсного усилителя

22

Определение режима работы транзистора сводится к определению координат отрезка нагрузочной прямой для переменного тока на выходных статических ВАХ транзистора, по которому перемещается его рабочая точка в процессе усиления сигнала (см. рис. 7.1). Обычно наибольшие трудности при выборе режима возникают в выходном каскаде усилителя, так как он работает с большими амплитудами импульсов тока и напряжения. При усилении однополярного импульсного сигнала большой амплитуды транзистор может находиться в одном из двух состояний (рис. 7.1): точка A – транзистор закрыт и точка B – транзистор открыт. Учитывая необходимость обеспечить малое время установления каскада точки A и B не должны располагаться в областях насыщения и отсечки. В большинстве случаев мощность, рассеиваемая транзистором в точке A, оказывается меньше мощности рассеиваемой в точке B. Поэтому при усилении импульсных сигналов с большой скважностью (длительность импульса значительно меньше паузы) целесообразно, чтобы в паузе между импульсами транзистор находился в закрытом состоянии (точка A). При этом каскад, выполненный по схеме с ОЭ на транзисторе структуры n- p-n, обеспечивает отрицательную полярность импульса напряжения на нагрузке. Для получения импульсов положительной полярности можно использовать транзистор структуры p-n-p для которого напряжения uКЭ будет отрицательным, однако, это может потребовать для питания усилителя дополнительного источника отрицательного напряжения.

Определение рабочего отрезка нагрузочной прямой начинают с определения координат точки A, которую часто называют рабочей точкой. Ток коллектора в рабочей точке ( IК.РТ ) должен удов-

летворять условию

h21 IКБ0 < IК.РТ < 0.1 IКm .

Нижняя граница определяется областью отсечки транзистора, а верхняя энергетикой каскада. Кроме того, с позиции обеспечения стабильности режима работы транзистора его ток покоя не должен быть меньше 1÷5 мА, что актуально для маломощных каскадов предварительного усиления. Если в справочнике указан диа-

23

К.РТ

пазон разброса параметра h21 , то его значение определяется как среднее геометрическое h21 = h21min h21max .

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке UКЭ.РТ можно определить как

UКЭ.РТ =UКЭmin +U2m ,

где UКЭmin – минимальное напряжение на транзисторе, при котором он гарантированно не входит в область насыщения; U2m –

требуемая амплитуда импульса напряжения на нагрузке. Напряжение UКЭmin определяется по выходным статическим ВАХ

транзистора.

При определении координат рабочей точки необходимо стремится к минимизации мощности PРТ = IК.РТ UКЭ.РТ рассеивае-

мой транзистором в этой точке. Как правило, в импульсном усилителе мощность, рассеиваемая транзистором в рабочей точке, не должна превышать десятых долей ватта, и лишь для мощных каскадов, развивающих высокое напряжение на низкоомной нагрузке, она может достигать единиц ватта. Если указанные условия не выполняются, то необходимо пересмотреть выбор тока покоя I транзистора.

Зная координаты рабочей точки (А), величину импульса тока коллектора IКm и величину импульса напряжения на нагрузке

U2m нетрудно построить рабочий отрезок нагрузочной прямой

AB (см. рис. 7.1).

После определения рабочего отрезка нагрузочной прямой необходимо убедиться, что на всём его протяжении мгновенная мощность pК = iК uКЭ , рассеиваемая транзистором, не превыша-

ет максимально допустимой PКmax . Т.е. нагрузочная прямая AB на выходных ВАХ транзистора должна лежать ниже гиперболы, соответствующей мощности PКmax (см. рис. 7.1). Если условия

по рассеиваемой мощности выполняются, то необходимо проверить тепловой режим транзистора. Для этого определяется максимальная температура перехода транзистора:

24

tп.max = tc.max + PK (RПК + RКС) ,

где tc.max – максимальная температура окружающей среды; PK – средняя мощность, рассеиваемая транзистором; RПК – тепловое сопротивление преход-корпус; RКС – тепловое сопротивление

корпус-среда. Величины тепловых сопротивлений обычно приводятся в справочных данных на транзисторы, а среднюю мощность PК при усилении импульсного сигнала можно рассчитать как:

			1			1	,
		−			+ (IК.РТ + IKm )(UКЭ.РТ −U2m )
	PК = IК.РТUКЭ.РТ 1					Q
			Q

где Q =1/(tи F) – скважность импульсов. Полученное значение

максимальной температуры перехода не должно превышать максимально допустимой для выбранного транзистора ( tп.max <TПmax ). Для большинства кремниевых транзисторов тем-

пература перехода не должна превышать 125 °С. Следует избегать эксплуатации транзистора при температурах близких к предельным, т.к. это ведет к ускоренной деградации его параметров.

Если расчетная температура кристалла транзистора превысила допустимую, то имеется два пути её снижения: уменьшить мощность, рассеиваемую транзистором, понизив значения IК.РТ, UКЭ.РТ, IКm или использовать радиатор для уменьшения

теплового сопротивления корпус-среда. На тепловой схеме тепловое сопротивление радиатора RРАД включается параллельно

тепловому сопротивлению корпус-среда, тогда суммарное тепловое сопротивление переход-среда RПС транзистора с радиатором рассчитывается как:

RПС = RПК + RРАД+RКС . RРАД RКС

При выборе величины теплового сопротивления радиатора необходимо учесть, что радиатор без принудительного охлаждения будет иметь приемлемые массу и габариты при тепловом сопротивлении не менее 50% от теплового сопротивления переход-

25

корпус охлаждаемого прибора. Если тепловой режим транзистора не обеспечивается даже при минимальном тепловом сопротивлении радиатора, то необходимо пересмотреть выбор режима работы транзистора или использовать транзистор способный рассеивать большую мощность.

Критерии выбора режима работы биполярных транзисторов в каскадах предварительного усиления принципиально не отличается от рассмотренных выше критериев для выходного каскада. Из особенностей можно отметить, что с целью облегчения конструктивной реализации и настройки усилителя, разработчики стремятся выбрать одинаковые режимы работы транзисторов во всех каскадах предварительного усиления. При этом важно помнить, что каскад на транзисторе с ОЭ инвертирует входной сигнал, и полярности импульсов на выходах каскадов чередуются. Поэтому положение рабочей точки транзистора в предварительных каскадах должно быть выбрано так, чтобы транзистор мог работать и на запирание и на открывание. Формально это означает, что ток покоя транзистора не может быть меньше h21 IКБ0 + IКm , где IКm – максимальный импульс тока среди

всех предварительных каскадов. Задача задания одинакового режима работы транзисторов во всех предварительных каскадах осложняется тем, что входное сопротивление и емкость текущего каскада является нагрузкой для предыдущего каскада, определить точные параметры которой до полного расчета текущего каскада невозможно. Однако при правильном выборе режима работы выходного каскада и правильном распределении усиления по каскадам усилителя величина сопротивления нагрузки каскадов увеличивается, а емкость нагрузки уменьшается, по мере удаления от входного каскада. Т.е. среди каскадов предварительного усиления в наиболее жестких условиях работает последний предварительный каскад, нагрузкой которого является выходной каскад. Для этого каскада импульсы тока и напряжения имеют наибольшие значения и по ним можно выбрать режим, подходящий для всех предварительных каскадов.

Выбор режимов работы полевых транзисторов в усилительных каскадах осуществляется по тем же принципам, что и бипо-

26

лярных. При этом в расчетах вместо тока коллектора фигурирует ток стока, а вместо напряжения коллектор-эмиттер – напряжение сток-исток. При использовании полевых транзисторов следует обратить особое внимание на выбор полярности напряжения питания каскада в зависимости от типа и характера проводимости канала используемого транзистора. Тип проводимости канала полевого транзистора, также как и структура биполярного транзистора, определяют полярность импульсов напряжения на нагрузке.

8.РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАДАНИЯ

ИСТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Для задания и стабилизации режима работы транзистора в усилительном каскаде, выполненном по схеме с ОЭ, чаще всего используется схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора. При этом режим работы транзистора определяется четырьмя элементами (см. рис. 8.1): коллекторной нагрузкой RК ,

сопротивлением резистора обратной связи по току RЭ и резисторами делителя напряжения в цепи базы RБ1 , RБ2 .

+EП

RБ1 RК

iК

IД выход iБ

вход

				uБЭ
								iЭ
uД
				RБ2				RЭ		uЭ

Рис. 8.1. Схема эмиттерной стабилизации режима работы транзистора

27

Стабилизация положения рабочей точки транзистора в схеме рис. 8.1 достигается благодаря глубокой отрицательной обратной связи по току, создаваемой резистором RЭ . Напряжение на базе

транзистора uБЭ равно разности между напряжением uД , задаваемым базовым делителем, и падением напряжения uЭ на резисторе в цепи эмиттера. Падение напряжения на резисторе RЭ пропорционально току эмиттера транзистора iЭ , который складывается из тока коллектора iК и тока базы iБ . Поскольку ток базы транзистора в h21 >>1 раз меньше тока коллектора, то им

можно пренебречь и считать, что ток эмиттера равен току коллектора. Таким образом, напряжение база-эмиттер можно определить как:

uБЭ = uД −iКRЭ .

(8.1)

Из (8.1) видно, что в схеме рис. 8.1 увеличение тока коллектора iК ведет к уменьшению напряжения на базе транзистора, т.е. к

призакрыванию транзистора и, следовательно, к уменьшению тока коллектора. В случае уменьшения тока коллектора, наоборот, напряжение на базе транзистора увеличивается, компенсируя уменьшение тока. Таким образом, введение сопротивления в цепь эмиттера стабилизирует ток коллектора транзистора. Причем, стабилизация тем эффективнее, чем больше величина сопротивления RЭ . Однако, увеличение сопротивления в цепи эмиттера

ведет к росту падения напряжения на нём, вызываемого током покоя транзистора. Это повышает мощность, рассеиваемую RЭ , и

требует увеличения напряжения питания каскада. Обычно компромисс между стабильностью режима и энергетикой каскада достигается, когда на RЭ падает 10÷15% от напряжения питания.

Эмиттерная стабилизация рабочей точки оказывается эффективной по отношению к таким дестабилизирующим факторам как изменение температуры кристалла транзистора, разброс параметров транзистора, колебания напряжения каскада. Чтобы рассмотренная отрицательная обратная связь не снижала коэффициент

28

передачи каскада на частотах усиливаемого сигнала сопротивление RЭ шунтируют конденсатором большой емкости.

Расчет элементов задания и стабилизации режима работы транзистора начинается с определения величины коллекторной нагрузки RК . Величина RК определяется из полного сопротив-

ления нагрузки каскада по переменному току R2 , которое представляет собой параллельное соединение RK с активной составляющей нагрузки каскада RН :

R	=	RК RН	.	(8.2)
2		RК + RН

Полное сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется наклоном нагрузочной прямой на выходных ВАХ транзистора (см. рис. 7.1) и может быть рассчитано как:

R2 = U2m . (8.3)

IКm

Определив величину R2 из (8.2) нетрудно рассчитать сопротивление коллекторной нагрузки RК . Очевидно, что при чисто емкостной нагрузке RК = R2 .

Далее необходимо определить напряжение питания каскада, которое складывается из падения напряжения на коллекторной нагрузке RК , падения напряжения на сопротивлении обратной

связи RЭ и напряжения коллектор-эмиттер в рабочей точке:

EП = kЭ(IК.РТRК +UКЭ.РТ) ,

(8.4)

где kЭ =1.1÷1.3 – коэффициент, определяющий величину падения напряжения на сопротивлении обратной связи RЭ . Большие значения kЭ увеличивают стабильность режима транзистора, но также увеличивают напряжение питания каскада и мощность, рассеиваемую резистором RЭ . Полученное по формуле (8.4) зна-

чение напряжения питания необходимо округлить до одного из стандартных значений (см. табл. 10).

29

Таблица 1 0

Ряд стандартных значений напряжения питания

ЕП, В

5

6

9

12

16

18

24

27

36

42

60

80

100

Зная напряжение питания каскада нетрудно рассчитать величину сопротивления RЭ :

RЭ = EП −I UКЭ.РТ − RК . К.РТ

Для расчета сопротивлений базового делителя RБ1 и RБ2 необходимо задаться током делителя IД . Чем больше ток делителя,

тем выше стабильность режима работы транзистора, но тем больше мощность, рассеиваемая резисторами RБ1 , RБ2 и тем

меньше 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:

10IБ.РТ < IД < IК.РТ .

Ток базы в рабочей точке IБ.РТ можно найти по семейству вы-

ходных статических ВАХ транзистора (см. рис. 7.1). Используя семейство входных статических ВАХ транзистора по известному току IБ.РТ и напряжению UКЭ.РТ находят напряжение база-

эмиттер в рабочей точке UБЭ.РТ (см. рис. 8.2).

iБ

uКЭ = UКЭ.РТ

A

IБ.РТ

uБЭ 0 UБЭ.РТ

Рис. 8.2. Определение положения рабочей точки на входных статических ВАХ транзистора

30