1.4 Выбор транзистора для усилительного каскада
В инженерных расчётах при выборе транзистора пользуются следующими паспортными параметрами:
Граничная частота коэффициента передачи тока Fгр ;
Статический коэффициент передачи по току h21Э;
Максимально допустимый ток коллектора Iкмакс;
Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер U кэмакс;
Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе Ркмакс..
Паспортные данные транзистора для большей надёжности работы схемы выбирают с запасом на 20-30% от предельных режимов работы.
Граничную частоту коэффициента передачи по току обычно выбирают, как минимум, на порядок выше частоты усиливаемого сигнала Fгр >10∙Fс с целью обеспечения постоянства режима работы транзистора. Следовательно, для обеспечения широкой полосы частот усиления надо выбрать транзистор с граничной частотой не менее Fгр= 10∙1100кГц=11 МГц.
Статический коэффициент передачи по току h21э обычно выбирают, как минимум, в три раза выше требуемого коэффициента усиления сигнала h21э >3∙Ку. Для возможности регулировки мощности сигнала в нагрузке, надо выбрать транзистор с коэффициентом передачи не менее h21э =105. Величину максимально допустимого тока коллекторной цепи выбирают, как правило, больше максимального тока транзистора I Кмакс = IКЭмакс Максимальный ток на переходе коллектор-эмиттер полностью открытого транзистора с достаточной точностью определяется напряжением Еп источника питания и сопротивлением RK нагрузки транзистора которая принимается равной нагрузке RK = Rн:
IКЭмакс=Еп/Rn=16 В/ 2000 Ом =8мА
Следовательно, максимально допустимый ток коллектора выбранного транзистора должен быть не меньше IКмакс>8мА. Значение максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер выбирают, как правило, больше напряжения источника питания Uкэ> Uп .Максимальное напряжение на переходе коллектор-эмиттер при полностью закрытом транзисторе определяется напряжением источника питания и не перевешает 16В, следовательно, максимально допустимое паспортное напряжение должно быть UКЭмакс >16В. Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе при полностью открытом транзисторе должна быть не менее PКмакс = IКЭмакс ∙Eп= 8мА ∙16В = 128мВт.
Выбираем отечественный n-p-n транзистор КТ604Б со следующими характеристиками: Fгp =40МГц, h21Э = 30-120, IKмакс =200мА, Uкэ =200В, Ркмакс =800мВт, тип корпуса КТ-26. Данному транзистору соответствует импортный аналог 2N5830 , со следующими характеристиками: Fгp =100 МГц, h21Э = 60-500, IKмакс =200мА, Uкэ =100В, Ркмакс 625мВт, тип корпуса TO-226AA (TO-92).
Выбор рабочей точки и определение параметров покоя транзистора
2.1 Моделирование выходных характеристик и построение нагрузочной прямой
Моделирование выходных характеристик необходимо для получения параметров, описывающих, координаты рабочей точки выбранного транзистора в режиме А.
Семейство выходных характеристик биполярного транзистора - это зависимость тока коллектора Iк от напряжения коллектор-эмиттер Uкэ при фиксированных токах базы IБ = IБ1,IБ2,IБ3...IБn.
При моделировании семейства выходных характеристик важным является определение положения рабочей точки на нагрузочной прямой транзистора. С помощью рабочей точки определяются ток и напряжение в выходной цепи IК0 и UКЭ0 для выбранного режима работы, а также ток входной цепи IБ0, который обеспечивает требуемые IК0 и UK0.
Определим диапазон изменения тока базового источника (I2на рис.2.1.1).Ток базы полностью открытого транзистора определяется максимальным током коллектора Iбмах= Iкмах / h21Э = 8 мА / 100 =80 мкА.
Следовательно, изменять ток базы будем от 0 до 80 мкА с шагом 5.33 мкА (обусловлено необходимым количество характеристик для построения рабочей точке в режиме А) (рис.2.1.2).
Напряжение коллекторного источника (V1 на рис.2.1.1) будем изменять от 0 до напряжения питания 16 В. Шаг изменения напряжения для обеспечения необходимой точности выберем 0.1 В (рис.2.1.2).
Соберём следующую схему (рис.2.1.1):
Рис. 2.1.1. Схема для моделирования семейства выходных характеристик
Устанавливаем параметры для источников V1 и I2:
Рис.2.1.2 Пределы изменения тока базы и напряжения коллектор-эмиттер
Теперь можно смоделировать выходные характеристики и построить нагрузочную прямую.
Нагрузочная прямая представляется отрезком прямой линии, для построения которой необходимо знать лишь координаты двух точек, лежащих на ней. Эти точки определяются в двух крайних режимах работы транзистора: в полностью закрытом (режим отсечки) и полностью открытом (режим насыщения).
Первую координату на оси напряжения UКЭ определяем при полностью закрытом транзисторе. В этом случае сопротивление перехода транзистора коллектор-эмиттер очень велико и напряжение коллектор-эмиттер практически равно напряжению источника питания (16 В). Это будет первая точка нагрузочной прямой (UКЭмакс=Еп=16В, IКмин=0мА), лежащая на оси UKЭ (на рис.2).
Для получения на выходной характеристике второй точки (по оси тока коллектора) IК, полагают, что транзистор полностью открыт. В этом случае ток, протекающий через переход эмиттер-коллектор максимален, поскольку сопротивление перехода Э-К минимально (практически равно 0) и определяется лишь напряжением источника питания и резистором нагрузки RK. Эта точка, лежащая на оси Iк является второй необходимой для построения нагрузочной прямой (UKЭмин=0 В, IКмакс=-8мА) (на рис.2.1.3).
Для рассматриваемого режима А работы транзистора положение рабочей точки определяется серединой нагрузочной характеристики, в данном случае 8 В (на рис. 2.1.3).
Рис.2.1.3 Выходные характеристики и построение рабочей точки на нагрузочной прямой
Рабочая точка в семействе выходных характеристик позволяет определить значение базового тока, определяющего параметры покоя транзистора. В рассматриваемом случае этой рабочей точку соответствует базовый ток IБ0=-21.32 мкА.
Зная токи во входной IБ0 и выходной IК0 цепях можно определить коэффициент передачи по току транзистора для выбранного режима работы h21Э= IК0/ IБ0=-4.0738 мА/-21.32мкА=191.
Таким образом, по результатам моделирования выходных статических характеристик были получены следующие параметры, описывающие координаты рабочей точки транзистора 2N5830 в режиме А:
- Напряжение коллектор эммитер покоя UКЭ0= 8В;
- Ток коллектора покоя IК0=-4.0738мА;
- Ток базы покоя IБ0=-21.32 мкА.