Выбор положения рабочей точки

Расчет параметров усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе

Схема транзисторного усилителя низкой частоты

Упрощенная схема каскада, выполненного на биполярном транзисторе типа p-n-p, включенного по схеме ОЭ, приведена на рисунке. На схеме обозначены: R₁, R₂ - резисторы входного делителя, обеспечивающего нужное смещение на базе транзистора, R_к, R_э - соответственно коллекторный и эмиттерный ограничивающие резисторы, R_н - сопротивление нагрузки. В простей­шем случае резисторы R₂ и R_э могут отсутствовать (R₂^{= ∞}, R_э=0), R_г - внутрен­нее сопротивление источника сигнала (генератора). С_вх, С_р - разделительные конденсаторы. Резистор R_э и конденсатор С_э образуют цепь отрицательной об­ратной связи по току эмиттера. Полагаем, что на вход (на базу транзистора) относительно общей точки подаётся синусоидальный входной сигнал с такой амплитудой, чтобы каскад работал в квазилинейном режиме и на нагрузке вы­делялся усиленный синусоидальный сигнал. Это обеспечивается соответст­вующим выбором положения рабочей точки на характеристиках транзистора.

Выбор биполярного транзистора

В исходных данных указаны ток и мощность нагрузки, по которым сле­дует определить конкретный тип и марку транзистора из следующих сообра­жений:

а) Допустимое напряжение между коллектором и эмиттером выбирается
на (10-30)% больше напряжения источника питания

где U_{кэ доп} - допустимое напряжение по условиям пробоя р-n-перехода.

б) Максимальный (допустимый) ток коллектора должен быть в (1,5¸2)
раза больше тока нагрузки

I_к.доп.³ 2I_нм

где мА - амплитуда тока нагрузки;

I_к.доп.- допустимое (по условиям нагрева) значение тока коллектора.

В общем случае нужно учитывать значение температуры окружающей среды, в зависимости от которой значение допустимого тока изменяется. В данном расчете предполагается «нормальная» температура окружающей среды + (25¸27)°С.

Вышеперечисленным требованиям удовлетворяет транзистор КТ208А. Он имеет следующие параметры:

U_кэм = 20 В

I_км = 300 мА

P_км = 0.2 Вт

h_21Э = 20…60 (в расчётах h_21Э = 40)

f_н = 1 кГц

Его входные и выходные характеристики:

Рисунок - входные и выходные характеристики транзистора КТ208А

Выбор положения рабочей точки

Расчет параметров графоаналитическим способом основан на использовании нелинейных статических характеристик. В первую очередь на семействе выходных характеристик изобразим кривую ограничения режима ра­боты транзистора по мощности Р_км. Она строится согласно уравнению:

Р_км = U_кэI_к.

Задаваясь значениями U_кэ, находим I_к по заданному значе­нию Р_к.

Таблица 1

Uкэ, В
Iк, мА

Далее на семействе выходных характеристик проводим нагрузочную линию, используя уравнение для коллекторной цепи

Полагая U_кэ = 0 В, получим

где R_общ = R_к + R_э - суммарное сопротивление в выходной цепи транзистора.

Полагая I_к = 0, имеем U_кэ = E_п = 12 В.

Так как R_общ пока неизвестно, используем две точки (рисунок 3): точку А с координатой (Е_п, 0) и выбранную по некоторым соображениям точку Р.

Положение точки Р нужно выбрать из следующих соображений:

а) точке Р соответствует значение тока

I_кр 1.2I_нм 9.6 мА

и значение напряжения

U_кэр U_вых.+ U_ост = 5 + 1 = 6 В

I_кр - постоянная составляющая тока коллектора;

I_им - амплитуда переменной составляющей тока коллектора (тока нагрузки);

U_кэр - постоянная составляющая напряжения коллектор-эмиттер.

U_ост маломощных транзисторов принимается ориентировочно равным 1В.

б) точка Р должка располагаться в области значений токов и напряже­ний, не попадающих в верхнюю область, ограниченную кривой Р_км (рису­нок 3).

Определив координаты точки Р проводим на семействах выходных характеристик нагрузочную прямую APD (рисунок 3) и определяем значение тока базы I_бр, соответствующее выбранному значению тока коллектора I_кр:

I_бр = 0.24 мА

По значению тока базы I_бр определяем положе­ние точки P₁ на входной характеристике.

Определяем значения токов I_км и I_к.мин :

I_км = I_кр + I_нм = 9.6 + 8 = 17.6 мА,

I_к.мин =I_кр – I_нм = 9.6 – 8 = 1.6 мА,

I_нм - амплитуда переменной (синусоидальной) составляющей тока нагрузки.

Откладывая по оси токов значения I_км, I_к.мин , находим на нагрузочной линии точки В и С, которым соответствуют значения токов базы

I_бм = 0.44 мА

I_б.мин = 0.04 мА

и зна­чения напряжений

U_кэм = 11.2 В,

U_кэ.мин = 1.5 В.

Амплитуду синусоидальной составляющей на­пряжения коллектор-эмиттер находим из соотношения: