В.В. Дуркин - Схемотехника аналоговых электронных устройств (1267373), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Таблица 9

^* тип транзистора:

1 – с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа;

2 – с управляющим p–n-переходом и каналом p-типа;

3 – с изолированным затвором и каналом n-типа;

4 – с изолированным затвором и каналом p-типа.

7. Особенности выбора режима работы

транзисторов при усилении

однополярных импульсов

Выбор режима работы транзистора в усилительном каскаде зависит от множества факторов, в частности, от вида и величины усиливаемого сигнала, характера нагрузки, требований к коэффициенту полезного действия усилителя, требований к допустимым искажениям сигнала и т.д. В усилителях однополярных импульсных сигналов определяющим фактором при выборе режима работы транзистора, как правило, становится обеспечение заданной амплитуды импульса напряжения на нагрузке при малом времени установления и приемлемых энергетических показателях каскада.

Рис. 7.1. Выбор положения рабочей точки транзистора в выходном каскаде импульсного усилителя

Определение режима работы транзистора сводится к определению координат отрезка нагрузочной прямой для переменного тока на выходных статических ВАХ транзистора, по которому перемещается его рабочая точка в процессе усиления сигнала (рис. 7.1). Обычно наибольшие трудности при выборе режима возникают в выходном каскаде усилителя, так как он работает с большими амплитудами импульсов тока и напряжения. При усилении однополярного импульсного сигнала большой амплитуды транзистор может находиться в одном из двух состояний (рис. 7.1): точка A – транзистор закрыт и точка B – транзистор открыт. Поскольку необходимо обеспечить малое время установления каскада, точки A и B не должны располагаться в областях насыщения и отсечки. В большинстве случаев мощность, рассеиваемая транзистором в точке A, оказывается меньше мощности, рассеиваемой в точке B. Поэтому при усилении импульсных сигналов с большой скважностью (длительность импульса значительно меньше паузы) целесообразно, чтобы в паузе между импульсами транзистор находился в закрытом состоянии (точка A). При этом каскад, выполненный по схеме с ОЭ на транзисторе структуры n-p-n, обеспечивает отрицательную полярность импульса напряжения на нагрузке. Для получения импульсов положительной полярности можно использовать транзистор структуры p-n-p, для которого напряжение u_КЭ будет отрицательным, однако при этом для питания усилителя может потребоваться дополнительный источник отрицательного напряжения.

Определение рабочего отрезка нагрузочной прямой начинают с определения координат точки A, которую часто называют рабочей точкой. Ток коллектора в рабочей точке ( ) должен удовлетворять условию

.

Нижняя граница определяется областью отсечки транзистора, а верхняя – энергетикой каскада. Кроме того, с позиции обеспечения стабильности режима работы транзистора его ток покоя не должен быть меньше 1...5 мА, что актуально для маломощных каскадов предварительного усиления. Если в справочнике указан диапазон разброса параметра , то его значение определяется как среднее геометрическое .

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке можно рассчитать так:

,

где – минимальное напряжение на транзисторе, при котором он гарантированно не входит в область насыщения; – требуемая амплитуда импульса напряжения на нагрузке. Напряжение определяется по выходным статическим ВАХ транзистора (рис. 7.1).

При определении координат рабочей точки необходимо стремиться к минимизации мощности рассеиваемой транзистором в этой точке. Как правило, в импульсном усилителе мощность, рассеиваемая транзистором в рабочей точке, не должна превышать десятых долей ватта, и лишь для мощных каскадов, развивающих высокое напряжение на низкоомной нагрузке, она может достигать единиц ватта. Если указанные условия не выполняются, то необходимо пересмотреть выбор тока покоя транзистора.

Зная координаты рабочей точки (А), величину импульса тока коллектора и величину импульса напряжения на нагрузке , нетрудно построить рабочий отрезок нагрузочной прямой AB (рис. 7.1).

После определения рабочего отрезка нагрузочной прямой необходимо убедиться, что на всем его протяжении мгновенная мощность , рассеиваемая транзистором, не превышает максимально допустимой , т.е. нагрузочная прямая AB на выходных ВАХ транзистора должна лежать ниже гиперболы, соответствующей мощности (рис. 7.1). Если условия по рассеиваемой мощности выполняются, то необходимо проверить тепловой режим транзистора. Для этого определяют максимальную температуру перехода транзистора:

,

где – максимальная температура окружающей среды; – средняя мощность, рассеиваемая транзистором; – тепловое сопротивление переход–корпус; – тепловое сопротивление корпус–среда. Величины тепловых сопротивлений обычно приводятся в справочных данных на транзисторы, а среднюю мощность при усилении импульсного сигнала можно рассчитать:

,

где – скважность импульсов. Полученное значение максимальной температуры перехода не должно превышать максимально допустимой для выбранного транзистора ( ). Для большинства кремниевых транзисторов температура перехода не должна превышать 125 С. Следует избегать эксплуатации транзистора при температурах, близких к предельным, так как это ведет к ускоренной деградации его параметров.

Если расчетная температура кристалла транзистора превысила допустимую, то имеется два пути ее снижения: уменьшить мощность, рассеиваемую транзистором, понизив значения , или использовать радиатор для уменьшения теплового сопротивления корпус–среда. На тепловой схеме тепловое сопротивление радиатора включается параллельно тепловому сопротивлению корпус-среда, тогда суммарное тепловое сопротивление переход–среда транзистора с радиатором рассчитывается как:

.

При выборе величины теплового сопротивления радиатора необходимо учесть, что радиатор без принудительного охлаждения будет иметь приемлемые массу и габариты при тепловом сопротивлении не менее 50 % от теплового сопротивления переход–корпус охлаждаемого прибора. Если тепловой режим транзистора не обеспечивается даже при минимальном тепловом сопротивлении радиатора, то необходимо пересмотреть выбор режима работы транзистора или использовать транзистор, способный рассеивать большую мощность.

Критерии выбора режима работы биполярных транзисторов в каскадах предварительного усиления принципиально не отличаются от рассмотренных выше критериев для выходного каскада. Из особенностей можно отметить, что с целью облегчения конструктивной реализации и настройки усилителя разработчики стремятся выбрать одинаковые режимы работы транзисторов во всех каскадах предварительного усиления. При этом важно помнить, что каскад на транзисторе с ОЭ инвертирует входной сигнал и полярности импульсов на выходах каскадов чередуются. Поэтому положение рабочей точки транзистора в предварительных каскадах должно быть выбрано так, чтобы транзистор мог работать и на запирание и на открывание. Формально это означает, что ток покоя транзистора не может быть меньше , где – максимальный импульс тока среди всех предварительных каскадов. Задача задания одинакового режима работы транзисторов во всех предварительных каскадах осложняется тем, что входное сопротивление и емкость текущего каскада являются нагрузкой для предыдущего каскада, определить точные параметры которой до полного расчета текущего каскада невозможно. Однако при правильном выборе режима работы выходного каскада и правильном распределении усиления по каскадам усилителя сопротивление нагрузки каскадов увеличивается, а емкость нагрузки уменьшается, по мере удаления от входного каскада. Таким образом, среди каскадов предварительного усиления в наиболее жестких условиях работает последний предварительный каскад, нагрузкой которого является выходной каскад. Для этого каскада импульсы тока и напряжения имеют наибольшие значения и по ним можно выбрать режим, подходящий для всех предварительных каскадов.

режимы работы полевых транзисторов в усилительных каскадах выбираются по тем же принципам, что и биполярных. При этом в расчетах вместо тока коллектора фигурирует ток стока, а вместо напряжения коллектор–эмиттер используют напряжение сток–исток. При использовании полевых транзисторов следует обратить особое внимание на выбор полярности напряжения питания каскада в зависимости от типа и характера проводимости канала транзистора. Тип проводимости канала полевого транзистора, так же как и структура биполярного транзистора, определяет полярность импульсов напряжения на
нагрузке.

8. Расчет элементов задания
и стабилизации режима
работы транзисторов

Для задания и стабилизации режима работы транзистора в усилительном каскаде, выполненном по схеме с ОЭ, чаще всего используется схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора. При этом режим работы транзистора определяется четырьмя элементами (рис. 8.1): коллекторной нагрузкой , сопротивлением резистора обратной связи по току и резисторами делителя напряжения в цепи базы , .

Рис. 8.1. Схема эмиттерной стабилизации
режима работы транзистора

Характеристики

Список файлов книги