Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе

На рис. 4.12,а приведена схема включения биполярного nрn транзистора в режиме усиления при работе от двух источников питания (ИП). В режиме усиления переход эмиттер – база должен быть открыт, а переход коллектор – база закрыт. На рис.4.12,б дана та же схема при работе от одного ИП. Элементы R1, R2, R3 обеспечивают режим по постоянному току, т.е. установку рабочей точки.

           
   
а)
     
б)
 
 
 
Рис. 4.12. Схема включения биполярного nрn транзистора в режиме усиления: а – два ИП; б – один ИП

Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru

Исходными данными для расчета режима по постоянному току являются:

· заданное напряжение источника питания ЕП;

· заданное напряжение между коллектором и эмиттером UКЭ;

· заданный ток коллектора IК.

Требуется рассчитать номинальные значения сопротивлений резисторов R1, R2, R3, RК, обеспечивающих заданный режим.

Требования к параметрам UКЭ и IК могут быть выполнены при различных сочетаниях сопротивлений резисторов. Следовательно, имеются степени свободы в расчете, которые могут быть использованы для учета других требований. Чаще всего расчет сопротивлений должен быть сделан таким образом, чтобы выполнялись требования не только к параметрам UКЭ и IК, но и к стабильности этих параметров.

Порядок расчета

1. Задаемся током IД делителя напряжения RД = R1 + R2 из условия

IД = (3 ÷ 5)ּIБ = (0,06 ÷ 0,1)ּIК .

При этом условии напряжение между базой и землей, т.е. напряжение на резисторе R2 , мало зависит от дестабилизирующих факторов, а именно, от изменения температуры и смены транзистора.

2. Рассчитаем общее сопротивление резисторов делителя напряжения

RД = R1 + R2 = EП / IД .

3. Зададимся падением напряжения на резисторе R3

UR3 = (2 ÷ 4)ּUБЭ .

При выполнении этой рекомендации режим работы транзистора, т.е. ток эмиттера IЭ ≈ IК = UR3 / R3 мало зависит от изменения напряжения UБЭ при изменении температуры и при смене транзистора. Кроме того, напряжение UБЭ мало зависит от протекающего тока в силу экспоненциального вида характеристики IЭ = f (UБЭ) и лежит в пределах UБЭ= (0,6 ÷ 0,8) В.

Рекомендуется принять UБЭ = 0,7 В.

4. Рассчитаем номинальные сопротивления резисторов:

R3 = UR3 / IК ; R2 = UR2 / IД = (UR3 + UБЭ) / IД; R1= RД – R2;

RК = (ЕП – UКЭ– UR3) / IК.

Проверим, насколько стабилен режим по постоянному току для рассчитанных значений резисторов при изменении температуры и смене транзисторов. Основными причинами изменения постоянного тока коллектора IК при изменении температуры является температурная зависимость обратного тока коллектора IКБО(t) и напряжения UБЭ(t). Из теории транзисторов известны следующие соотношения:

Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru ;

Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru ;

Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru ,

где tН – номинальная температура; в странах Европы обычно принимают tН = (20 ÷ 23)0С, в США и в программах компьютерного моделирования по умолчанию tН =270С;

IКБ0(tН) – обратный ток коллектора при tН;

m t – температурный коэффициент, m t = (4 ÷ 6)0С для кремниевых транзисторов;

∆UБЭ(t) – изменение напряжения UБЭ;

γt – температурный коэффициент, γt = – 2,3ּ10-3 В/0С для кремневых транзисторов.

Введем обозначение RБ – сопротивление параллельно включенных резисторов R1 и R2 ,

Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru .

Для относительного отклонения тока коллектора при изменении температуры справедлива формула (без доказательства)

Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru , (4.18)

где ВСТ – статический коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. Величины ВСТ и IКБ0 находятся из справочных данных на транзистор.

Теперь рассмотрим зависимость тока коллектора от разброса статического коэффициента усиления по току ВСТ , возникающего при смене транзисторов. Справедлива формула (без доказательства)

Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru , 4.19)

где ∆ВСТ = (ВСТ max –ВСТ min)/2; ВСТ = (ВСТ maxСТ min)/2. Значения ВСТ max и ВСТ min находятся из справочных данных на транзистор.

Пример. Исходные данные: транзистор КТG10A, IКБО(tН) ≤ 0,5ּ10-6 А, ВСТ min = 50; ВСТ max = 300, tН = 200С, UКЭ = 7В, IК = 60 мА, ЕП = 15 B, диапазон температур t = (–20 ÷ +40)0С.

Таким образом, ВСТ = 175, ∆ВСТ = 125, ∆ВСТ СТ = 0,73.

Расчет элементов:

IД = 0,1ּIK = 0,1ּ60 мА = 6 мА;

RД = ЕП /IД = 15/6ּ10-3 = 2,5 кОм;

UR3 = 4ּUБЭ = 4ּ0,7 = 2,8 В;

R3 = UR3/IЭ = 2,8 / 60ּ10-3 =47 Ом;

R2 = (UR3 + UБЭ)/ IД = (2,8 +0,7)/ 6ּ10-3 = 580 Ом;

R1 = RД – R2 = 2500 – 580 =1920 Ом;

RН = (ЕП –UКЭ –UR3)/IК = (15-7-2,8)/0,06 = 103 Ом.

Проверим стабильность режима:

∆ UБЭ(t) = γt (tн – tmin) = (– 2,3 ∙ 10-3) (20 + 20) = – 0,092 В;

IКБО(t = 40°С) = 0,5∙10-6 ּ Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru = 4 ∙10-6 А;

∆ IКБО = 3,5 ∙ 10-6 А, RБ = Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru 445 Ом;

Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru

Режим постоянного тока резистивного каскада усиления на одном транзисторе - student2.ru

Относительные отклонения считаются допустимыми, если они не превосходят 10 %. В данном примере это условие выполняется.

Наши рекомендации