Графоаналитический расчёт и исследование полупроводникового усилительного каскада (стр. 1 из 3)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Тема:

"Графоаналитический расчет и исследование полупроводникового усилительного каскада"

Севастополь 2007 г.

1. Выбор параметров усилительного каскада

Выбор параметров усилительного каскада осуществлён согласно номеру варианта из приложения А, а также приложений В и Г, где определён тип транзистора (Uкэ доп=20 В, Iк доп=50 mА)

1. Тип транзистора	МП-20А	p-n-p
2. ЭДС источника питания	Ек	20 В
3. Сопротивление нагрузки	Rк	0,68 кОм
4. Сопротивление эмиттерного резистора	Rэ	0,33 кОм
5. Амплитудное значение напряжения сигнала	Uвхm	0,08 В
6. Частота сигнала	f	400 Гц

Рис. 1. Одиночный транзисторный каскад усиления

Рис. 2. Схема транзистора

Для усилительного каскада выбрана схема включения транзистора с общим эмиттером. Входной сигнал прикладывается к выводам эмиттера и базы, а источник питания коллектора включён между выводами эмиттера и коллектора. Таким образом, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Входным током является малый по величине ток базы, выходным током – ток коллектора. В схеме с общим эмиттером можно получить коэффициент прямой передачи тока порядка нескольких десятков.

2. Построение входной и выходной статистических характеристик транзистора

На рисунке 3, выполненном на миллиметровой бумаге, построены входная и выходные характеристики транзистора МП-20А. Для схемы с общим эмиттером статической входной характеристикой является график зависимости тока базы Iб от напряжения Uбэ при постоянном значении Uкэ: Iб=f(Uбэ) при Uкэ=const. Выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы. Iк=φ(Uкэ) при Iб=const. Крутизна выходных характеристик на начальном участке от Uкэ=0 до |Uкэ| = |Uбэ| =0,08 В велика. На участке |Uкэ| > |Uбэ| крутизна характеристик уменьшается, и они идут почти параллельно оси абсцисс. Положение каждой из выходных характеристик зависит, главным образом, от величины тока базы.

Значения токов базы рассчитывается, начиная с самой нижней кривой, соответствующей I0б=0. Значение ∆ Iб=0,1 мА приведено в правом верхнем углу графиков выходных статических характеристик приложения В. Следовательно:

I0б	0	I0б=0 мА
Iб1= I0б+∆ Iб	0+0,1	Iб1=0,1 мА
Iб2= Iб1 +∆ Iб	0,1+0,1	Iб2=0,2 мА
Iб3= Iб2 +∆ Iб	0,2+0,1	Iб3=0,3 мА
Iб4= Iб3. +∆ Iб	0,3+0,1	Iб4=0,4 мА
Iб5= Iб4+∆ Iб	0,4+0,1	Iб5=0,5 мА

3. Построение нагрузочной прямой для режима постоянного тока в цепи коллектора

Нагрузочная прямая представляет собой траекторию движения рабочей точки транзистора при изменении уровня входного сигнала. В основе построения лежит решение уравнения динамического режима транзистора относительно тока коллектора. Сперва строим нагрузочную прямую для режима постоянного тока в цепи коллектора (прямая АВ на рис. 3.) При отсутствии входного сигнала, т.е. переменного напряжения Uвх заданной частоты, в коллекторной цепи будет протекать только постоянный ток коллектора Iк, и установится баланс напряжений, определяемый законом Кирхгофа:

Ек = U_RK+ Uкэ + U_RЭ= I_KR_K + U_КЭ +I_ЭК_Э(1)

Отсюда напряжение, снимаемое с коллектора транзистора (выходное для него):

Uкэ = Е_к – U_RK-U_RЭ = E_K – I_kR_k-IэRэ (2)

Для упрощения рассуждений пренебрежем известным соотношением I_Э=I_K+I_Б> I_K, и, поскольку ток базы I_Б «Iк, примем I_K«I_Э. Тогда выражение (2) примет вид:

U_КЭ= Е_к – U_RK-U_RЭ⁼ Ек – Iк'Rк – I_KRэ = Eк – Iк (Rк+Rэ) (3)

Выражение (3) называется уравнением динамического режима работы транзистора, показывающее, что напряжение на выходе транзистора U_КЭ изменяется при любых изменениях тока коллектора I_K.

Разрешив уравнение (3) относительно тока I_K, получим:

(4)

Уравнение (4) позволяет построить нагрузочную прямую транзистора по постоянному току.

Приравнивая нулю значения U_КЭ(транзистор открыт), получим:

Iк=Ек/(Rк+Rэ)=20/(680+330)=0,0198А=19,8 мА – точка А на оси ординат.

Приравнивая нулю значения Iк (транзистор закрыт), получаем:

Ек/(Rк+Rэ)=Uкэ/(Rк+Rэ)=> Ек=Uкэ=20 В-точка В на оси абсцисс.

Соединив точки, получаем искомую нагрузочную прямую АВ для режима постоянного тока в цепи коллектора (рисунок 3).

Примечание: эти точки – теоретические, поскольку транзистор в принципе не может быть открыт до уровня нулевого сопротивления перехода коллектор – эмиттер, которое мало, но R_КЭ≠ 0,поэтому не может быть и U_КЭ= I_RR_КЭ равным нулю. Это же можно сказать и о закрытом состоянии транзистора, для которого ток коллектора очень мал, но Iк≠ 0.

4. Построение динамической переходной характеристики для режима постоянного тока

Пользуясь графиками входной характеристики и нагрузочной прямой найдем геометрическое решение уравнения I_K=f(I_Б) в динамическом режиме, представляющее собой переходную динамическую характеристику

Переходная динамическая характеристикапостроена в левом верхнем квадранте графическим методом. Для этого ординаты точек пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками проецируются во второй квадрант, где пересекаются с проекциями соответствующих им токов базы. По полученным точкам строится динамическая переходная характеристики для режима постоянного тока Iк =f(I_Б)-

При I_Б = 0 ток коллектора очень мал, обусловлен движением только «тепловых» неосновных носителей через переход коллектор-база и представляет собой ток насыщения неосновных носителей коллекторного перехода I_K=I_КS (транзистор находится на границе режима отсечки). Переходная характеристика имеет протяженный линейный участок и лишь при приближении к режиму насыщения транзистора становится нелинейной. При дальнейшем увеличении тока базы I_Б ток коллектора асимптотически стремится к своему наибольшему значению

=20/(680+330)=)=0,0198А=19,8 мА

5. Выбор положения начальной рабочей точки Р для режима постоянного тока в цепи коллектора

Положение начальной рабочей точки (точки покоя при U_ВХ=0)на всех характеристиках задается напряжением смещенияU_БЭ и определяет способность транзистора влиять на форму сигнала в процессе усиления. Наименьшее искажение формы сигнала достигается в транзисторном каскаде, работающем в классе А.

Начальная рабочая точка Рдля такого усилительного каскада должна располагаться на участке входной характеристики, наиболее близком к линейному (в пределах двойной амплитуды входного сигнала), соответствующем наиболее линейному участку переходной характеристики. Только в этом случае между изменениями входного сигнала ΔU_БЭ и выходного тока ΔI_K(а, следовательно, и выходного напряжения ΔU_КЭ) будет иметь место линейная зависимость.

После выбора положения начальной рабочей точки Рна входной и переходной динамической характеристиках она переносится на нагрузочную прямую. Именно в этой точке снимаем с графиков числовые значения параметров, характеризующих начальную рабочую точку (точку покоя при отсутствии входного сигнала): Uбэ0=0,15 В; Iб0=0,2 мА; Uкэ0=10 В; Iк0=10 мА.

6. Построение нагрузочной прямой для режима переменного тока

В режиме переменного тока на вход усилительного каскада подается входной синусоидальный сигнал заданной амплитуды (U_ВХ≠0) и частоты f.

Этому режиму работы соответствует другая нагрузочная прямая, при построении которой принимается во внимание шунтирование резистора температурной стабилизации Rэ=0,33кОм малым емкостным сопротивлением конденсатора Сэ на частоте входного сигнала. Для простоты будем считать, что на заданной частотеf=400Гцемкостное сопротивление конденсатора X_C =0 и он полностью закорачивает резистор Rэ. Тогда эмиттер транзистора на частоте входного сигналаоказывается замкнутым на землю и баланс напряжений коллекторной цепи изменится по сравнению с выражением (3).

Поскольку эти изменения проявляются только на переменной составляющей сигнала, перепишем уравнение (1) с учетом наличия этой составляющей:

Отсюда

(5)

Сгруппируем слагаемые

(6)

И введём новые обозначения:

Ек’=Ек – Iк0·Rэ Iк= Iк0 + iк≈

Окончательно получим:

(7)

Уравнению (7) соответствует диаграмма, приведенная на рисунке 4.

Рисунок 4 – К построению нагрузочной прямой для переменной составляющей

при наличии элементов Rэ и Сэ