Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 4. Статический режим работы усилительного каскада
Перед тем, как подавать на вход усилителя сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя).
Статическим режимом работы усилителя называется режим, который характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами.
Для характеристики проблемы обеспечения статического режима рассмотрим следующие три схемы:
Схема с фиксированным током базы (рис. 1).
Рис. 1. Схема включения транзистора с фиксированным током базы
В соответствии со вторым законом Кирхгофа
.
Отсюда находим ток коллектора iK:
,
что соответствует линейной зависимости вида .
Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки. Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 1).
В соответствии со вторым законом Кирхгофа
.
Отсюда находим ток базы iб:
.
Учитывая, что uбэ<<Ек, пренебрежем напряжением uбэ. Тогда .
Рис. 2. Выходные характеристики транзистора с линией нагрузки
Таким образом, в рассматриваемой схеме ток iб задается величинами Eк и Rб (ток «фиксирован»). При этом .
Пусть iб=iб2. Тогда начальная рабочая точка (НРТ) займет то положение, которое указано на рис. 1. Видно, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, iб=0), а самое верхнее положение – точке Z (режим насыщения, iб ≥ iб4).
Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:
Схема с коллекторной стабилизацией (рис. 3). Эта схема обеспечивает лучшую стабильность статического режима.
Рис. 4. Схема включения транзистора с коллекторной стабилизацией
В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы – коллектор транзистора соединен со входом схемы – базой транзистора с помощью резистора Rб). При увеличении тока iк (например, из-за повышения температуры) начинает увеличиваться напряжение uRк. Это приведет к уменьшению напряжения uкэ и тока iб (), что будет препятствовать значительному увеличению тока iк, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.
Схема с эмиттерной стабилизацией (рис. 5). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток iэ и через это – ток iк . С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор Rэ и создают на нем практически постоянное напряжение uRэ. При этом оказывается, что:
.
Для создания требуемого напряжения uRэ используют делитель напряжения на резисторах R1 и R2.
Рис. 5. Схема включения транзистора с эмиттерной стабилизацией
Резисторы R1 и R2 выбирают насколько малыми, что величина тока iб практически не влияет на величину напряжения uR2. При этом
.
В соответствии со вторым законом Кирхгофа uRэ = uR2 – uбэ .
При воздействии дестабилизирующих факторов величина uбэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина uRэ. На практике обычно напряжение uRэ составляет небольшую долю напряжения Ек.
Порядок расчета параметров статического режима (режима покоя) рассмотрим на примере схемы, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером и используется эмиттерная стабилизация начального режима работы (рис. 4).
Рис. 4
Конденсатор С1 называемый разделительным, препятствует связи по постоянному току источника входного сигнала с усилителем, что может вызвать нарушение режима работы транзистора по постоянному току. Конденсатор С2, также называемый разделительным, служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянному току. Конденсатор Сэ обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напряжению, так как уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения икэ (говорят, что конденсатор Сэ ликвидирует отрицательную обратную связь на переменном токе).
Легко заметить, что для рассматриваемой схемы линия нагрузки на постоянном токе (ЛН=, при ивх = 0) описывается следующим выражением, полученным при замене тока эмиттера током коллектора (так как iЭ=iK):
Пусть параметры элементов схемы таковы, что в начальном режиме работы iб = iб2. Соответствующее положение начальной рабочей точки указано на рис. 5. На основании приведенного выше краткого анализа схемы с эмиттерной стабилизацией получаем
Рис. 5
При расчетах часто принимают, что uбЭ= 0,6...0,7 В (для кремниевых транзисторов). Пренебрегая током I`ко получаем iк = βст· iб. Учитывая, что iэ= iK+ iб, получаем:
Отсюда следует, что в схеме с эмиттерной стабилизацией ток базы непосредственно зависит от того, какое значение коэффициента βст будет иметь конкретный используемый транзистор. Если значение коэффициента окажется большим, то ток базы будет малым, и наоборот.
Предположим, что напряжение питания Eк задано и требуется обеспечить начальный режим работы при заданном начальном токе Iкн.
Изложим порядок предварительного определения величин Rэ, R1 и R2.
Напряжение иRэ выбирают из соотношения
иRэ = (0,1..0,3) • EK.
Затем, учитывая, что iэ = iк, определяют RЭ
Определяют максимальный ток базы Iб.макс соответствующий минимальному значению βмин коэффициента β
Выбирают ток iдел делителя напряжения на резисторах R1 и R2, протекающий при отключении базы транзистора от делителя. При этом пользуются соотношением iдел = (8..10) ·iб.макс
Находят сумму сопротивлений R1 и R2:
Определяют напряжение
При этом считают, что uбэ= (0,6...0,7) В.
Определяют
и, используя вычисленное выше значение суммы (R1+R2), получают
Изложенный порядок расчета величин Rэ, R1 и R2, а также другие подобные методики расчета электронных схем до применения математического моделирования составляли основу ручного проектирования устройств электроники. После подобных расчетов из конкретных элек- трорадиоэлементов изготавливали макет устройства и в результате его практического исследования уточняли значения параметров элементов схемы (к примеру, определяли действительно необходимое значение RЭ).
Таким образом, расчет каскада по постоянному току решает задачу выбора элементов схемы для получения в нагрузке необходимых параметров выходного сигнала.