Алгоритм расчета усилительного каскада

При расчете усилительного каскада ОЭ на биполярном транзисторе считаются заданными:

- напряжение источника питания Е_к,

- сопротивление нагрузки R_н,

- выходная мощность Р_вых,

- нижняя граница рабочего диапазона частот f_н,

- коэффициент частотных искажений на этой границе Мн.

Если тип используемого в усилителе транзистора задается, расчетом определяются значения параметров электрического режима транзистора, элементов схемы, а также величины входной мощности и КПД. Статические характеристики и значения предельных параметров транзистора считаются известными.

Ниже предлагается алгоритм расчета усилительного каскада.

1. На выходной характеристике транзистора нанести границы рабочей области, как показано на рис.9. При этом используются [L1] данные таблицы предельных параметров (I_кmax, U_кэmax, P_кmax). Также проводятся прямые I_кmin и U_кэmin, ограничивающие максимальные удаления рабочей точки от точки покоя.

Гипербола P_кmax проводится по точкам, координаты которых соответствуют условию (1). Линия U_кэmin проводится с учетом исключения из рабочей области участка вольт-амперной характеристики с резким увеличением коллекторного тока. Линия I_кmin проводится с учетом исключения из рабочей области участка, расположенного ниже вольт-амперной характеристики для I_Б = 0. Если такая характеристика отсутствует, то линия I_кmin проводится на уровне (0,5 – 1) минимального значения коллекторного тока на оси, для которого проведена линия масштабной сетки.

 

 

Рис.9. Граница рабочей области на выходной характеристике

биполярного транзистора

 

2. Рассчитать значение амплитуды изменения напряжения коллектор-эмиттер в течение периода входного сигнала по соотношению (6).

3. Выбрать значение сопротивления резистора в коллекторной цепи транзистора с учетом условия:

 

R_к = γR_н, где γ > 2,5.

 

4. Рассчитать значение амплитуды изменения коллекторного тока в течение периода входного сигнала по соотношению:

 

I_кm = U_кэm .

 

5. Определить область вероятного положения точки покоя на выходной характеристике транзистора. С этой целью на характеристике провести две прямые: одну через точку 0,9Е_к на оси абсцисс и точку 0,9Е_к / R_к на оси ординат, вторую – через точки 0,7Е_к и 0,7 Е_к / R_к соответственно.

6. Определить положение точки покоя на выходной характеристике транзистора. С этой целью в рабочей области, построенной в п.1, разместить прямоугольный треугольник, катеты которого соответственно равны 2 U_кэm и 2 I_кm, как показано на рис.9. Длины катетов должны быть выполнены в масштабе, который использован при построении выходной характеристики.

Стороны треугольника должны быть удалены от границ этой области, как оговорено в разделе 1.2 методических указаний, его катеты должны быть параллельны осям координат, а середина гипотенузы должна находиться между прямыми, проведенными по п.5.

Если треугольник с указанными параметрами катетов размещается в рабочей области, то значения коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя определяются координатами середины гипотенузы треугольника. Концы гипотенузы соответствуют точкам А и В максимального удаления рабочей точки от точки покоя при фиксированном уровне входного сигнала. Если треугольник с определенными значениями U_кэm и I_кm не размещается в рабочей области, то следует изменить величину параметра γ в п.3.

Нанести на выходной характеристике точки А, П и В. На ее осях отметить точки, соответствующие токам коллектора I_КП, I_КА , I_КВ, а также напряжениям коллектор-эмиттер U_КЭП, U_КЭА и U_КЭВ.

7. Определить значения токов базы (I_БП, I_БА , I_БВ) в точке покоя, а также соответствующие точкам А и В. Если через точки П, А и В не проходят вольт-амперные характеристики, то их следует провести параллельно другим характеристикам. По этим характеристикам определяются значения I_БП , I_БА и I_БВ при использовании аппроксимации данных на выходной характеристике.

8. По входной характеристике транзистора определить значения напряжения база-эмиттер U_БЭП, U_БЭА и U_БЭВ, соответствующие токам I_БП, I_БА и I_БВ.

Нанести на входной характеристике точки А, П и В. На ее осях отметить точки, соответствующие базовым токам I_БП, I_БА и I_БВ, а также напряжениям база-эмиттер U_БЭП, U_БЭА и U_БЭВ. Результаты, полученные в п.п.6, 7 и 8, занести в табл.1.

Таблица 1

 

Рабочая точка	Iк, A	Uкэ, В	IБ, A	UБЭ, В
А
П
В

 

 

9. Рассчитать амплитуды переменных составляющих токов и напряжений транзистора по соотношениям:

 

I_Бm = 0,5 (I_БА - I_БВ ), I_Кm = 0,5 (I_КА – I_КВ ),

U_БЭm = 0,5 (U_БЭА - U_БЭВ ), U_КЭm = 0,5 (U_КЭВ – U_КЭА).

 

10. Рассчитать сопротивление резистора R_э по соотношению (8). Величина коэффициента α определяется значением, при котором линия, проходящая через точку покоя параллельно линиям, проведенным в п.5, пересекает ось абсцисс в точке (1 - .

11. Рассчитать величину входного сопротивления транзистора по соотношению (20).

12. Задаться значением тока делительной цепочки I_Д из условия (13).

Для заданного значения тока I_Д рассчитать сопротивления резисторов по соотношениям (11) и (12). Рассчитанные значения должны удовлетворять условию:

 

> 2,5 r_вх.

 

Если это условие не выполняется, следует привести корректировку задаваемого в п.11 значения тока I_Д.

13. Определить величину входного сопротивления каскада по соотношению (14).

14. Определить значения коэффициентов усилительного каскада по напряжению, току и мощности по соотношениям (17) – (19). При расчете считать, что выходное сопротивление задающего генератора R_Г = R_вх .

15. По известным величинам выходной мощности и коэффициента усиления по мощности рассчитать значение входной мощности.

16. С использованием методики и соотношений п.1.5 методических указаний провести расчеты емкостей конденсаторов усилительного каскада С_р1, С_р2 и С_э.

17. Рассчитать КПД каскада:

 

КПД = .

 

 

Результаты вычислений свести в табл.2.

 

Таблица 2

 

Сопротивления резисторов, Ом	R1
R2
Rк
Rэ
Емкости конденсаторов, мкФ	Сэ
Ср1, Ср2
Коэффициенты усиления каскада	по напряжению	КU
по току	КI
по мощности	КP
Входное сопротивление каскада, Ом	RВХ
Выходное сопротивление каскада, Ом	RВЫХ
Входная мощность, мВт	РВХ
Коэффициент полезного действия каскада, %	КПД

 

Примечания.

1[L2] . Выполнение п.п. 1-6 предполагается с использованием ПЭВМ, для чего студент подготавливает необходимое программное обеспечение.

2. При отсутствии файла с выходной характеристикой для проведения расчета на ПЭВМ следует предварительно подготовить поле с системой координат, на осях которой указать масштабные точки значений I_к и U_кэ. Определенные положения точек П, А и В перенести на выходную характеристику транзистора и провести через эти точки линию нагрузки по переменному току.

3. При выполнении п.п. 1 – 6 без использования ЭВМ следует нанести прямоугольный треугольник с параметрами, оговоренными в п.6, на кальку, которую затем накладывают на лист с выходной характеристикой.