Обеспечение режима усилительного каскада в статическом режиме

Обеспечение режима работы по постоянному току в усилительном каскаде на одном транзисторе, являющимся управляемым элементом, – это задание необходимого напряжения смещения на выводы транзистора через соответствующий источник питания с напряжением U_п.

Основные требования для обеспечения режима работы транзистора по постоянному току следующие.

1. все цепи по постоянному току должны быть замкнуты, то есть должна быть замкнута цепь базы, коллектора и эмиттера.

2. в качестве коллекторной нагрузки должна использоваться активная или индуктивная нагрузка. Возможно применение параллельно включённых RC - или LC цепей.

3. биполярный транзистор должен быть включён по схеме с ОЭ, ОБ или ОК; полевой транзистор включается по схеме с ОС или ОИ. Выбор схемы включения определяется её частотными свойствами.

4. Усилитель может работать в режимах следующих классов работы:

режим класса А – транзистор в активнм режиме;

режим класса B –транзистор в режиме отсечки;

режим класса АB –промежуточный режим;

режим класса С – «усиленный» класс В;

режим класса D – транзистор в ключевом режиме.

Для выбора статического режима работы транзистора широко применяется графоаналитический метод построения нагрузочных прямых, в котором используется семейство статических входных и входных характеристик.

1.4.1. Обеспечение режима работы транзистора при включении по схеме с ОЭ

Схема простейшего каскада усиления на транзисторе, включённом по схеме с ОЭ, представлена на рис. 1.9.

Режим работы транзистора по выходной цепи (ток «покоя» коллектора I_Кр и напряжение U_{КЭ р}) задаётся с помощью резистора R_к, включённого в цепь коллектора. Ток базы I_бр и потенциал базы U_{БЭ р} задаётся с помощью резистора R_Б , включённого в цепь базы.

Расчёт режима работы выполняется в следующей последовательности.

1. Из справочников находятся графики выходных статических характеристик I_к=f(U_кэ). Графики представлены на рис. 1.10.

2. Определение рабочей области режима транзистора. Она ограничивается предельными значениями напряжения U_{К max} и тока коллектора I_{К max}, которые связаны следующей зависимостью

, (1.22)

где Р_{К max} – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, является справочной величиной.

График функции I_{К max}= f (U_КЭ) является гиперболой и строится на графике выходной характеристики, как показано на рис.1.10. Область ниже этой кривой является рабочей областью.

3. На графике статической характеристики (рис. 1.10) выбирается рабочая точка А, соответствующая активному режиму работы транзистора. Этой точке соответствуют:

U_{КЭ р} – рабочее напряжение на кол­лекторном переходе;

I_{К р} – рабочий ток коллектора.

4. Записывается уравнение нагрузочной прямой

, (1.23)

где U_п – напряжение питания, В; U_КЭ – текущее напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; I_К – ток коллектора; R_К - сопротивление нагрузки в цепи коллектора.

Подставляя в эту формулу значения U_{КЭ р} и I_{К р} получим:

. (1.24)

Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки R_К в цепи коллектора по формуле:

. (1.25)

Аналогично выбирается режим работы входной цепи. Для этого используется уравнение входной характеристики I_Б=f(U_БЭ), показанный на рис.1.11.

1. В соответствии с рис. 1.11 на этом графике выбирается рабочая точка B, соответствующая рабочему току базы I_{Б р} рабочему напряжению U_{Б р}.

2. Через эту точку проводится график нагрузочной прямой для входной цепи. Записывается уравнение нагрузочной прямой

, (1.26)

где U_п – напряжение питания, В; U_БЭ – текущее напряжение между базой и эмиттером транзистора; I_Б – ток базы; R_Б - сопротивление нагрузки в цепи базы.

Подставляя в эту формулу значения U_{БЭ р} и I_{Б р} получим:

. (1.27)

Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки R_Б в цепи коллектора по формуле:

. (1.28)

Рассмотрим далее методы расчёта обеспечения режимов работы биполярного транзистора, включённого по схеме с ОЭ.

Метод с фиксированным током базы. Схема включения транзистора была представлена выше на рис. 1.9. При построении нагрузочной прямой используется два условия.

1. Транзистор открыт и насыщен, оба перехода открыты. Напряжение U_{КЭ н} транзистора, находящегося в состоянии насыщения, рассчитывается по формуле

, (1.29)

где φ_т ≈0,026 В – тепловой потенциал; β≈100 – коэффициент усиления тока базы; β_I ≈0,05 – коэффициент усиления при инверсном включении транзистора; ≈1,50…3 – степень насыщения транзистора. С учётом объёмного сопротивления коллекторной области транзистора, значение U_{КЭ нас}≈0,1…0,2 В. Значение максимального тока коллектора рассчитывается по формуле

. (1.30)

2. Транзистор закрыт и находится в режиме отсечки. Оба перехода закрыты. В это случае I_Кmin≈0; U_КЭ≈U_п.

Все возможные рабочие точки транзистора теперь лежат на получившейся нагрузочной прямой. Наклон этой прямой определяется значением сопротивления в цепи коллектора R_К и равен (рис. 1.12). Для обеспечения минимальных нелинейных искажений рабочую точку А выбирают посередине нагрузочной прямой на линейном участке выходной характеристики. Задавшись значениями I_{Б р}, I_{К р}, U_{КЭ р}, U_{БЭ р} по формулам (1.25) и (1.28) рассчитывают значения сопротивлений R_К и R_Б.

Схема с фиксированным током базы несовершенна. Она работает в небольшом диапазоне изменения температур ΔT=10… 20⁰С. Ток базы зависит лишь от U_п и R_Б, то есть он фиксирован.

Он не зависит от параметров транзистора, которые зависят от температуры. При этом изменение рабочего тока коллектора составят 10…20% его величины, то есть ΔI_К≤(0,1…0,2)I_{К р.}