2 Расчетная часть

Необходимые данные для расчета режима транзистора приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Данные для расчета

№ варианта	Параметры
	Rн, Ом	Uвых, В
08	150	3

Схема усилительного каскада с ОЭ приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Схема усилительного каскада с ОЭ.

 Произведем необходимые расчеты для выбора транзистора:

• предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер

,

• предельно допустимого тока коллектора

Отсюда максимальное напряжение коллектор-эмиттер В,

максимальный ток коллектора А.

Следовательно, выбираем для усилителя транзистор КТ603Б, справочные данные которого приведены в Приложении 1.

 Определим координаты рабочей точки () и требуемое напряжение источника питания.

Нагрузки рассматриваемого каскада по постоянному и переменному току определяются как:

При отсутствии в справочных данных ВАХ БТ, координаты рабочей точки могут быть определены как:

,

где - напряжение нелинейного участка выходных статических ВАХ транзистора,;

Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе, не должна превышать предельного значения, взятого из справочных данных на транзистор.

Напряжение питания усилителя найдем из формулы:

.

Откуда следует, что напряжение питания должно быть не менее

и не более предельного значения напряжения коллектор-эмиттер для выбранного транзистора – 30 В.

С учетом запаса по напряжению выберем из стандартизированного рекомендованного ряда Е_к=15 В.

 Проиллюстрируем процесс определения координат рабочей точки при выбранном напряжении питания, путем построения входных и выходных динамических характеристик (рисунок 2.2).

Построим на выходной статической характеристике линию, которая будет характеризовать ток коллектора в зависимости от изменяющегося коллекторного напряжения. Такую линию называют нагрузочной (динамической) выходной или рабочей характеристикой транзистора. Для ее построения предположим вначале, что транзистор заперт и ток коллектора равен нулю. В этом случае напряжение на коллекторе равно напряжению источника питания, т.к. падение на нагрузкеRк отсутствует. На оси напряжений Uкэ найдем точку, соответствующую Ек. Теперь найдем вторую крайнюю точку динамической характеристики из предположения, что напряжение на коллекторе равно нулю, т.е. транзистор замкнут накоротко. В этом случае ток коллектора Iк=Eк/Rк. Таким образом, получили две крайние точки выходной динамической характеристики. Остальные точки лежат на прямой, соединяющей их.

Рисунок 2.2 Определение рабочей точки для каскада с ОЭ

Находим точки пересечения выходной динамической характеристики со статическими характеристиками при различных токах базы. Затем определяем соответствующие напряжения коллектора этих точек и строим по входной статической характеристике Iб(Uкэ) точки динамической входной характеристики.

Коллекторное напряжение слабо влияет на входной ток, поэтому обычно ограничиваются двумя входными статическими характеристиками, при U_кэ=0 и U_кэ >0 В. При определении рабочей точки можно считать, что входная динамическая характеристика совпадает по форме с входной статической характеристикой для данного транзистора при напряжении коллектор-эмиттер равным 10 В.

На рисунке 2.3 на статических характеристиках транзистора КТ603Б, взятых из справочника, показано положение рабочей точки.

Рисунок 2.3 Определение рабочей точки для транзистора КТ603Б

Таким образом, определяем:

I_к0= 55 мА, I_б0= 0,55 мА, U_бэ0=0,92 В.

По справочным данным на транзистор определим параметры элементов упрощенной физической Т-образной малосигнальной эквивалентной схемы БТ, которая показана на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 Эквивалентная схема биполярного транзистора

Параметры элементов определяются на основе справочных данных следующим образом:

 объемное сопротивление базы ,

где - постоянная времени цепи внутренней обратной связи в транзисторе на ВЧ;

 активное сопротивление эмиттера 0,46 Ом,

где I_э=I_к+I_б = 55,55 мА ;

 диффузионная емкость эмиттера 933 пФ,

где - граничная частота усиления по току транзистора с ОЭ,МГц;

 r =(0,5…1,5) Ом;

Таким образом, параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора полностью определяются справочными данными и режимом работы.

 В выбранной рабочей точке рассчитаем значения низкочастотных Y-параметров транзистора и, и постоянной времени крутизны транзистора.

Приближенные выражения для низкочастотных значений Y-параметров биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ:

Постоянная времени крутизны транзистора :

.

 В диапазоне температур окружающей среды (+20…+50)С рассчитаем ожидаемый уход тока коллектора без мер термостабилизации. Определим, как изменится входная проводимость транзистораg и крутизна при данном изменении тока коллектора.

Существуют три основных фактора, влияющих на изменении под действием температуры: при увеличении температуры, во-первых, увеличивается напряжение, во-вторых, обратный ток коллекторного перехода, и, в третьих, возрастает коэффициент.

Для анализа реальный транзистор можно представить в виде идеального, у которого параметры не зависят от температуры, а

температурную зависимость смоделировать включением внешних

источников напряжения и тока (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 Тепловая модель биполярного транзистора

Рассмотрим влияние этих факторов на приращение тока коллектора . Начнем с влияния изменения, вызванного тепловым смещением проходных характеристик, обозначив при этом приращение тока коллектора как:

мА=2,4·10^-3 А,

где - приращение напряжения , равное:

||= 3· 9,25 = 27,25 мВ,

где - температурный коэффициент напряжения (ТКН),

-3мВ/град., Т - разность между температурой коллекторного переходаи справочным значением этой температуры(обычно 25C):

⁰С,

где

⁰С,

где исоответственно, мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме, и тепловое сопротивление

“переход-среда”:

Вт = 385 мВт,

град/мВт.

Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора:

А,

где приращение обратного тока равно:

А,

где  - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов =0,13.

Приращение коллекторного тока, вызванного изменением , определяется соотношением:

А,

где

,

при отн. ед./град.

Полагая, что все факторы действуют независимо друг от друга, запишем:

А.

Учитывая, что увеличение r_б иr_э с повышением температуры незначительно (до 3%) и принимая при этом

Н_21э=(I_к0+ΔI_к0)/I_б= 109,

определим значения входной проводимости транзистора gи крутизны.

Нарисуем схему усилительного каскада с ОЭ со стабилизацией фиксированием тока базы (рисунок 2.6) и рассчитаем ожидаемый уход тока коллектора для данной схемы термостабилизации. Определим, как изменится при этом входная проводимость транзистораg и крутизна .

Рисунок 2.6 Каскад с фиксацией тока базы

определяется соотношением:

=25600 Ом,

т.к. .

Коэффициенты термостабилизации для этой схемы таковы:

,

.

Отсюда видно, что данная схема имеет малую эффективность термостабилизации ().

Выражение для термостабилизированного каскада:

.

Обычно , что обусловлено одинаковым влиянием наиэлементов схем термостабилизации:

.

Тогда,

А.

Учитывая, что

Н_21э=(I_к0+ΔI_к0)/I_б= 105,

определим значения входной проводимости транзистора gи крутизны.

Нарисуем схему усилительного каскада с ОЭ и коллекторной термостабилизацией (рисунок 2.7). Рассчитаем ожидаемый уход тока коллектора для данной схемы термостабилизации. Определим, как изменится при этом входная проводимость транзистораg и крутизна .

Рисунок 2.7 Каскад с коллекторной термостабилизацией и его варианты

определяется соотношением:

Ом,

т.к. .

Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

,

.

Из этих формул видно, что данная схема имеет лучшую термостабильность (именьше единицы), чем схема с фиксированным током базы.

Тогда,

.

Учитывая, что

Н_21э=(I_к0+ΔI_к0)/I_б= 102,

определим значения входной проводимости транзистора gи крутизны.

 Нарисуем схему усилительного каскада с ОЭ и эмиттерной термостабилизацией (рисунок 2.8). Рассчитаем ожидаемый уход тока коллектора для данной схемы термостабилизации. Определим, как изменится при этом входная проводимость транзистораg и крутизна .

Зададимся током делителя, образованного резисторами R_б1 и R_б2 :

мА ;

 выбираем ,и определяем номинал:

;

 определяем потенциал :

В;

Рисунок 2.8 Каскад с эмиттерной термостабилизацией

 рассчитываем номиналы резисторов базового делителя:

Ом,

Ом,

Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

,

.

Здесь - параллельное соединение резисторов R_б1 и R_б2:

Анализ полученных выражений показывает, что для улучшения термостабильности каскада следует увеличивать номинал и уменьшать.

Тогда,

.

Учитывая, что

Н_21э=(I_к0+ΔI_к0)/I_б= 101,

определим значения входной проводимости транзистора gи крутизны.