Прохоров С.Г., Трусенев В.Г. Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе (2001)

Министерство образования Российской ФедерацииКАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВАФилиал "Восток"РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДАНА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕУчебно-методическое пособиеКазань 20011УДК 621.375Авторы-составители: С.Г.ПрохоровВ.Г.ТрусеневРасчет усилительного каскада на биполярном транзисторе: Учебнометодическое пособие: Для студентов заочного и очного обучения / Сост.С.Г.Прохоров, В.Г.Трусенев. / Казань: Изд-во Казан. гос.

техн. ун-та, 2001.40 с.Учебно-методическое пособие предназначено для проведения практических занятий по электронике в дисциплине "Электроника и микропроцессорная техника" федеральной составляющей Государственного образовательного стандарта по направлению подготовки дипломированного специалиста 653700 – "Приборостроение". Данное пособие может быть полезнымдля студентов всех инженерных специальностей, в том числе и радиотехнического профиля.Табл.

5. Ил. 31. Библиогр.: 11 назв.Рецензент: докт. физ.-мат. наук В.Ю.Петухов (Казанский государственный университет).Рекомендовано к изданию Учебно-методическим центромКГТУ им. А.Н.Туполева2Расчет усилителей на транзисторах включает следующие основныеэтапы:1. Выбор транзистора и элементной базы.2. Расчет статического режима (т.е. расчет транзистора по постоянному току).3.

Расчет динамического режима (т.е. расчет транзистора по переменному току).Как правило, на практике при проектировании усилителя инженерудаются исходные данные:• входное (Uвх) и выходное (Uвых) напряжение усилителя (или коэффициенты усиления усилителя по току КI и по напряжению KU);• входное сопротивление усилителя (Rвх);• сопротивление нагрузки (Rн);• полоса пропускания усилителя Δf = fв – fн, где fн, fв – нижняя иверхняя граничные частоты усиления;• диапазон рабочих температур Т0±ΔТ;• напряжение источника питания Ек.Число исходных параметров, формируемых потребителем, может бытьбольше, либо меньше приведенных.Расчет статического режима работы биполярноготранзистора по постоянному токуРасчет статического режима состоит в определении постоянных токови напряжений на выводах транзисторов, а также потребляемой мощности.Расчет начинается с задания рабочей точки на входной и выходной вольтамперной характеристиках (ВАХ) транзистора.

После этого по закону Омарассчитываются сопротивления резисторов для выбранной схемы каскада.Расчет завершается определением коэффициента температурной нестабильности S и приращения коллекторного тока при изменении температуры Т.Задание рабочей точки означает задание ее положения на входной ивыходной характеристиках (рис. 1). Из рисунка 1 видно, что задание сопротивления коллекторной нагрузки Rк фиксирует положение рабочей точки впределах нагрузочной прямой. Задание тока базы (в данном случае Iб3) фиксирует положение рабочей точки уже на одной точке нагрузочной прямой(точка "А" на рис. 1).3Iк (мА)Iб (мА)Uк=0Uк=5ВIб640Iб50,8Iб4300,6Iб30,4A20АIб2Iб1100,2Iб000,10,30,5Uбэ (В)5010152025Uкэ (В)Рис.

1. Положение рабочей точки "А" на входной и выходнойхарактеристиках транзистораЗадать ток базы можно с помощью источника тока (напряжения),включенного в цепь базы. Однако включение в схему дополнительного источника напряжения нерационально, поэтому используют другие способы.Способ фиксированного тока базыРассмотрим следующую схему (рис.2). Здесь резистор Rк задает нагрузочный режим, т.е. нагрузочную прямую, на которой выбираем рабочую точку "А".

Составим уравнение равновесия напряжений по второму правилуКирхгофа для входной цепи:E − U бэАEк = I бА ⋅ Rб + U бэА → Rб = к.I бАОтметим, что в данной формуле Ек – задано в исходных данных, токбазы в точке "А" IбА и напряжение базаэмиттер в точке "А" UбэА мы выбираем самиЕкна входной характеристике, ориентируясь наIб RкRбIквыходную ВАХ (рис.1). Учитывая, чтоЕк>>UбэА , то ток базы в точке "А" получаетсяфиксированным при заданном напряжениипитания, не зависимым от влияния темпераUUвыхкэтуры и равным:UвхUбэEI бА ≈ к .RбНедостаток схемы заключается в том,что транзисторы имеют разброс параметров ипри замене транзистора надо заново рассчитывать величину базового резистора Rб. Заметим также, что причинами температурной нестабильности коллекторного тока являются увеличение обратного коллекторного тока и уменьшение UбэА с увеличением температуры.Данная схема не стабилизирует ни один из этих параметров.Рис.

2. Схема для заданияфиксированного тока базы4Принято характеризовать влияние изменения обратного тока коллектора Iк0 на ток коллектора Iк коэффициентом температурной нестабильности S:dIS= к .dI к0гдеДля схемы с общим эмиттером1+ DS=,1− α + DRRR ⋅RβD= э + э + э к .α=,β +1R1 R2 R1 ⋅ R2Здесь Rэ – сопротивление в цепи эмиттера. В данном случае Rэ = 0, поэтому D = 0 и, следовательно,1S== β + 1,1− αгде β=h21э – коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером(β=h21э~100), т.е. коэффициент температурной нестабильности S очень велик.Способ фиксированного напряжения базыВ схему включения транзистора вместо одного базового резистора вводим делитель из двух сопротивлений (рис.

3). Напряжение источника питания Ек задано в исходных данных. Считаемтакже известными ток базы транзистора вЕкточке "А" – IбА и падение напряжения наI 1 RкR1Iктранзисторе в точке "А" – UбэА, посколькурабочую точку "А" выбираем сами на нагрузочной прямой. По второму правилу КирхUкэгофа запишем уравнение равновесия напряUбэR2Uвыхжений для входной цепи:UвхI2Eк = I1 ⋅ R1 + I 2 ⋅ R2 ,или, с другой стороны,Eк = I1 ⋅ R1 + U бэА ,причем I1 = I 2 + I бА .Рис.

3. Схема задания фиксированного напряжения базыЕсли известен параметр h11э – входное сопротивление транзистора, тосопротивление R2, которое включено ему параллельно, выбирают в 2÷5 разбольше входного сопротивления транзистора h11э. Зная h11э, находимR2 = 5 ⋅ h11э ,затем находим ток через резистор R2UE − U бэА.I 2 = бэА → R1 = кR2I 2 + I бА5Однако входное сопротивление транзистора известно не всегда и чтобыне определять его графическим методом по входной ВАХ, обычно поступаютследующим образом. Выбирают ток делителя I1 для маломощных транзисторов в 5÷10 раз больше тока базы IбА: I1=(5÷10)IбА.UE − U бэА.I 2 = I1 − I бА → R2 = бэА → R1 = кI2I1Преимущество схемы: в случае замены транзистора не требуется менять сопротивления в схеме, т.к.

напряжение на базе не изменится, посколькуоно фиксировано делителем R1, R2.Недостаток: как и в предыдущей схеме отсутствует резистор в цепиэмиттера (Rэ=0), поэтому коэффициент температурной нестабильности S по1прежнему очень велик S == β + 1.1− αЗадание рабочей точки с помощью отрицательнойобратной связи по токуЗадача расчета транзистора по постоянному току состоит в определении номинальных значений резисторов в схеме, которые задают рабочуюточку транзистора.

Рассмотрим схему на рис. 4. В данном случае мы должнынайти величины сопротивлений Rк, R1, R2,Rэ, а также коэффициент температурнойЕкнестабильности S и приращение коллекI1 RкR1Iкторного тока ΔIк при заданном диапазонеизменения температуры ΔТ.IбРешим эту задачу для конкретногоUкэслучая. Выберем стандартный источникUбэпитания Ек=12 В, транзистор КТ-312Б.R2I2UвыхДля данного транзистора в справочникеUвхRэприведены все необходимые характеристики (рис. 5 ÷ 8).Выбираем режим работы транзистора.

Пусть это будет режим работыРис. 4. Схема с ООС по токукласса А. Выберем рабочую точку "А"транзистора с параметрами UкэА=5 В, IкэА=18 мА. Проводим нагрузочнуюпрямую через точку "А" и через точку с координатами Uкэ=Ек=12 В, Iкэ=0 допересечения с осью тока. По нагрузочной характеристике находим максимальное значение тока насыщения транзистора. Для рассматриваемого случая оно равно Iкн=30 мА.

Зная ток насыщения транзистора, можем теперьнайти величину резистора в цепи коллектора RкEE12 В= 400 Ом .I кн = к → Rк = к =RкI кн 30 ⋅ 10 −3 А6Iк (мА)Iб=0,7мА40Iб=0,6мАIб=0,5мА30Iб=0,4мАA20Iб=0,3мАIб=0,2мА10Iб=0,1мА0515102025Uкэ (В)Рис. 5. Выходные характеристики транзистора КТ312БIб (мА)Uк=0Uк=5В0,80,70,60,5А0,40,30,20,100,10,20,30,40,5UбэАUбэ (В)Рис. 6. Входные характеристики транзистора КТ312БИз стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайший номиналRк=430 Ом или 390 Ом, в зависимости от требований к коэффициенту усиления КU или полосе пропускания.

Если нам необходимо получить максимальный коэффициент усиления КU, то нужно выбрать значение коллекторногосопротивления, равное Rк=430 Ом, если же нам требуется максимальная полоса пропускания, то нужно взять Rк=390 Ом.7Далее по выходной характеристике транзистора определяем ток базы вточке "А" IбА (рис. 5). В данном случае он равен: IбА=0,4 мА.

Затем по входной характеристике находим значение напряжения на базе в точке "А" UбэА.В нашем примере падение напряжения на базе будет равно: UбэА= 0,46 В.Ток эмиттера является суммой токов коллектора и базы, т.е.I эА = I кA + I бА = 18 мА + 0,4 мА = 18,4 мА .Составляем уравнение равновесия напряжений по второму правилуКирхгофа для цепи эмиттер-коллектор(1)Eк = I кA ⋅ Rк + U кэ + I эА ⋅ Rэ .Для входной цепи по второму правилу Кирхгофа можно составить двауравнения равновесия напряжений:(2)Eк = I1 ⋅ R1 + I 2 ⋅ R2 ;Eк = I1 ⋅ R1 + U бэА + U Rэ = I1 ⋅ R1 + U бэА + I эА ⋅ Rэ .(3)Из уравнений (2) и (3) следует, чтоU R 2 = I 2 ⋅ R2 = U Rэ + U бэА = I эА ⋅ Rэ + U бэА .Сопротивление Rэ осуществляет отрицательную обратную связь по току (ООС). Падение напряжения на нем должно быть небольшим, поэтомуобычно из практических соображений выбирают URэ ≈ (0,1÷0,3)Ек.

Возьмем внашем случае URэ = 0,1Ек, тогда из этого условия можно найти значение сопротивления в цепи эмиттера:U0.1 ⋅ Eк0,1 ⋅ 12 В=≈ 66 Ом .Rэ = Rэ =I эАI эА18,4 ⋅ 10 −3 АВыбираем номинал резистора по стандартному ряду сопротивленийтипа МЛТ, равный 100 Ом. Тогда падение напряжения на эмиттерном сопротивлении будет равно:U Rэ = I эА ⋅ Rэ = 18,4 ⋅ 10 −3 А ⋅ 100 Ом = 1,84 В .Для задания фиксированного напряжения на базе транзистора необходимо, чтобыU R 2 = U Rэ + U бэ = 1,84 + 0,46 = 2,3 В .Для расчета сопротивления R2 необходимо знать величину тока I2. Каки в предыдущем случае из практических соображений выбираем значениятоков I1 и I2 равными:I1 = 5 ⋅ I бА = 5 ⋅ 0,4 мА = 2 мА,I 2 = I1 − I бА = 2 − 0,4 = 1,6 мА .Теперь можем рассчитать величину резистора R2:U2,3 ВR2 = R 2 == 1438 Ом .I21,6 мАВыбираем ближайший номинал из стандартного ряда сопротивленийтипа МЛТ, равный R2=1,5 кОм.