1. Расчет по постоянному току.

На Рис 3.2.1.1.1 приведены Вольт-Амперные Характеристики (ВАХ) транзистора.

Важное значение для понимания работы усилителя играет линия нагрузкит по постоянному и переменному току.

Линия нагрузки по постоянному току (а-б), представляющую собой геометрические места точек, координаты U_КЭиI_Ккоторых соответствуют возможным значениям точки режима покоя каскада, проводится по двум точкам , характеризующим режим холостого хода (точка а) (I_К= 0;U_{КЭ П}=E_К) и короткого замыкания (точка б) (U_{КЭ П}= 0;I_КП=E_К /(R_К +R_Э)) выходной цепи каскада (рис. 3.2.1.1.1, а), в соответствии с уравнением:

с учетом того, что

Для графической иллюстрации переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока транзистора используют линию нагрузки каскада по переменному току.

При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора равно нулю, так как резистор R_Эшунтируется конденсаторомС_Э, а к коллекторной цепи подключается нагрузка, поскольку сопротивление конденсатора С_р2по переменному току мало. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питанияЕ_к по переменному току также близко к нулю, то окажется, что сопротивление каскада по переменному току определяется сопротивлениями резисторовR_КиR_H, включенных параллельно, т. е.поэтому наклон линии нагрузки по переменному току будет больше, чем по постоянному.

При подаче на вход каскада (см. рис. 3.2.1.1.1) напряжения u_ВХв базовой цепи транзистора создается переменная составляющая токаi_{Б ~} , связанная с напряжениемu_ВХвходной характеристикой транзистора (рис. 3.2.1.1.1, б). Так как ток коллектора через коэффициентβпропорционально зависит от тока базы, в коллекторной цепи транзистора создаются переменная составляющая токаi_{K ~} (рис. 3.2.1.1.1,а) и переменное выходное напряжение u_ВЫХ, связанное с токомi_{K ~} линией нагрузки по переменному току. При этом линия нагрузки по переменному току характеризует изменение мгновенных значений тока коллектораi_Kи напряжения на транзистореu_КЭили, как говорят, перемещение рабочей точки.Рабочая точка перемещается вниз от точки покоя П при положительной полуволне входного напряжения ивверх – при отрицательной полуволне. Очевидно, для исключения искажений выходного сигнала необходимо, чтобы рабочая точка при перемещении вверх по линии нагрузки не заходила в область нелинейных начальных участков выходных характеристик, а при перемещении вниз – в область начальных токов коллектораi_{KO (Э)}. Работа каскада без искажений выходного сигнала достигается за счет обеспечения соответствующей величины входного сигнала и правильного выбора режима (точки) покоя.

Рассмотрим факторы, которые необходимо учитывать при выборе точки покоя и расчете конкретного каскада. Исходными параметрами являются амплитудные значения переменных составляющих напряжения U_{BЫХ m} и тока нагрузкиI_{Н т}, мощность в нагрузкеР_Н и сопротивление нагрузкиR_H. При существующих связях между указанными параметрами в принципе достаточно знать только два из них, напримерU_{BЫХ m} иР_Н, чтобы найти все остальные.

Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям (рис. 3.2.1.1.1, а):

где – напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора;– начальный ток коллектора, соответствующий максимальной температуре.

Ток связан с выходным напряжением каскада соотношением

Чтобы увеличить коэффициенты усиления каскада, величину R_K выбирают в 3—5 раз большеR_H. По выбранному токуI_KПнаходят ток базы покоя:

а по входным характеристикам транзистора (рис. 3.2.1.1.1,б) — напряжение U_{БЭ П}.

Ток покоя эмиттера связан с токами исоотношением

При выборе величины E_К(если она не задана) необходимо руководствоваться условием

где

При определении величины U_ЭПисходят из следующих соображений. Повышение напряженияU_ЭПсказывается на увеличении температурной стабильности режима покоя каскада, так как при этом сопротивлениеR_Эполучается больше и тем самым увеличивается глубина отрицательной обратной связи по постоянному току в каскаде. Однако при этом необходимо повышать напряжение питанияЕ_К схемы. В соответствии с указанным величинуU_ЭПвыбирают равной (0,1...0,3). Е_К

С учетом выражения получаем

Сопротивление R_Э находят из соотношения

При расчете элементов входного делителя следует исходить из таких соображений. С точки зрения температурной стабильности режима покоя нужно, чтобы изменение тока покоя базы I_БП(вследствие температурной нестабильности напряженияU_БЭП) слабо отражалось на изменении напряженияU_БП.

Для этого требуется, чтобы ток делителя I_Д, протекающий через резисторыR₁ иR₂, превышал токI_БПчерез резисторR₁ . Однако при условии сопротивленияR₁иR₂получаются малыми и оказывают сильное шунтирующее действие на входную цепь транзистора. Поэтому при расчете элементов входного делителя вводят ограничения:

где r_ВХ— входное сопротивление транзистора, характеризующее сопротивление цепи база — эмиттер по переменному токуСоотношение для расчета сопротивленийR₁ иR₂получаем из схемы рис. 2.1:

Тип транзистора выбирают с учетом частотного диапазона работы каскада (по частоте f_αили f_β), а также параметров по току, напряжению и мощности. Максимально допустимый ток коллектора транзистораI_{К ДОП} должен быть больше наибольшего мгновенного значения тока коллектора в каскаде, т. е.I_{К МАХ} =I_{К П} + I_{К m} <I_{К ДОП}.(Рис 2.5,а).

Транзистор по напряжению обычно выбирают с учетом соотношения U_KЭ. _ДОП>Е_К. Мощность Р_К=U_KПI_KП, рассеиваемая в коллекторном переходе транзистора, должна быть меньше максимально допустимой мощностиР_{К ДОП} транзистора. Кривая предельно допустимой мощности представляет собой гиперболу, для каждой точки которойU_KЭI_K=Р_{К ДОП} (рис. 3.2.1.1.1,а).

Тип транзистора выбирается из каталогов (например из сайта:

http://www.chipinfo.ru/dsheets )

Таким образом, расчет каскада по постоянному току решает задачу выбора элементов схемы для получения в нагрузке необходимых параметров выходного сигнала.

Важными параметрами усилителя являются его коэффициенты усиления по току К_I, напряжениюΚ_U и мощностиΚ_P , а также входноеR_BXи выходноеR_BbIXсопротивления. Они определяются в процессе расчета по переменному току.