Розрахунок каскаду транзисторного підсилювача напруги низької частоти з реостатно-ємнісним зв’язком.

Послідовність розрахунку наводиться для транзистора, включеного за схемою із спільним емітером (СЕ).

Вихідні дані:

1) максимальна напруга на виході каскаду U _вих._max (максимальна напруга на навантаженні);

2) опір навантаження R _н;

3) нижня гранична частота f _н;

4) допустимі значення коефіцієнта частотних викривлень каскаду в області нижніх частот М _н;

5) напруга джерела живлення U _жив.

Зауваження. Вважати, що каскад працює в стаціонарних умовах (T _min = +15°С; Т _max = +25°С). При розрахунку впливом температури на режим транзистора нехтуємо.

Визначити:

1) тип транзистора;

2) режим роботи транзистора;

3) опір колекторного навантаження R _к;

4) опір в колі емітера R _e;

5) опори дільника напруги R ₁ i R ₂, який стабілізує режим роботи транзистора;

6) ємність роздільного конденсатора С _р;

7) ємність конденсатора в колі емітера С _е;

8) коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі K _U.

Порядок розрахунку.

1. Обирається тип транзистора, керуючись такими міркуваннями:

а) U _ке. _доп ≥ (1,1÷1,3) U _жив, де U _ке. _доп – найбільша допустима напруга між колектором і емітером, наводиться в довідниках;

б) І _к _доп > 2 І _н._m = 2 U _вих._m / R _н, де I _н._m – найбільша можлива амплітуда струму навантаження; І _к _доп– найбільший допустимий струм колектора, наводиться в довідниках.

Зауваження:

1) Заданому діапазону температур задовольняє будь-який транзистор.

2) Для обраного типу транзистора виписати з довідника значення коефіцієнтів підсилення за струмом для СЕ β _min і β _max. В деяких довідниках наводиться коефіцієнт підсилення за струмом α для схеми СБ і початковий струм колектора І _к.п. Тоді β = α / (1– α) (при виборі режиму роботи транзистора необхідно виконувати умову І _к._min ≥ І _к.п).

3) Для каскадів підсилювачів напруги звичайно застосовують малопотужні транзистори типу ГТ-108, ГТ-109, МП-20, МП-21, МП-25, МП-40, МП-41, МП-42, МП-111, МП-113 та ін.

2. Режим роботи транзистора визначається по навантажувальній прямій, побудованій на сімействі вихідних статичних (колекторних) характеристик для СЕ. Побудова навантажувальній прямої показана на вихідних характеристиках транзистора.

Навантажувальна пряма 1–4 будується по двом точкам: т. 0 – точка спокою (робоча) і т. 1, яка визначається величиною напруги джерела живлення U _жив. Координатами т. 0 є струм спокою І _к0 і напруга U _ке0(тобто струм і напруга, що відповідають U _вх= 0).

Можна прийняти І _к0 = (1,05÷1,2)· І _вих ≈ (1,05÷1,2) І _н._m.

Напруга спокою U _ке0= U _вих._m + U _ост= U _к._m + U _ост,

де U _ост – найменша допустима напруга U _ке.При U _ке < U _ост виникають значні нелінійні викривлення, оскільки в робочу зону попадають ділянки характеристики, які мають велику кривизну. Для малопотужних транзисторів можна прийняти U _ост = 0,5÷1,0 В.

3. Визначається величина опорів R _кi R _e.

По вихідним характеристикам визначаємо R _заг = R _к + R _e – загальний опір в колі емітер–колектор R _заг = U _жив/ I, де I – струм, що визначається т. 4, тобто точкою перетину навантажувальної прямої із віссю струмів.

Приймаючи R _е= (0,15÷0,25) R _к, отримаємо

R _к = R _заг/(1,15÷1,25); R _e = R _заг– R _к.

4. Визначаються найбільші амплітудні значення вхідного сигналу струму І _вх._max і напруги U _вх._max, необхідні для забезпечення заданого значення U _вих._max. Задавшись найменшим значенням коефіцієнта підсилення транзистора за струмом β _min, отримаємо І _вх._max = I _б._max = I _к.max / β _min, причому І _вх._maxне повинно перевищувати величини , де для малопотужних транзисторів І' _б._max≈ 1÷2 мА, І' _б._min ≈ 0,05 мА.

По вхідній статичній характеристиці для схеми СЕ і знайденим значениям І _б._m і І _б._min знаходять величину 2 U _вх._m.

5. Визначається вхідний опір R _вх каскаду змінному струму (без врахування дільника напруги R ₁i R ₂):

6. Визначаються опори дільника R ₁i R ₂.Для зменшення шунтуючої дії дільника на вхідне коло

каскаду по змінному струму приймають R _1–2 ≥ (8÷12) R _вх^≈,де R _1–2= R ₁· R ₂/(R ₁ + R ₂).Тоді:

7. Визначається коефіцієнт нестабільності роботе каскаду: ,де β _max – найбільш можливий коефіцієнт підсилення за струмом вибраного типу транзистора.

Для нормальної роботи каскаду коефіцієнт нестабільності S не повинен перевищувати кількох десятків одиниць.

8. Визначається ємність роздільного конденсатора С _р:

, де R _вих.т – вихідний опір транзистора, що визначається за вихідними статичним характеристикам для схеми СЕ. В більшості випадків R _вих.т ≥ R _к,тому можна прийняти R _вих ≈ R _к + R _н.

9. Визначається ємність конденсатора .

10. Визначається коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:

Наведений порядок розрахунку не враховує вимоги на стабільність роботи каскаду.

Приклад. Розрахувати каскад транзисторного підсилювача напруги для схеми з спільним емітером (див. наведену схему):

U _вих._m = 4 В; R _н = 500 Ом; f _н = 100 Гц; М _н = 1,2; U _жив = 12 В.

Розрахунок.

1. а) U _{ке. доп} ≥ 1,2· U _жив = 1,2·12 = 14,4 В;

б) І _к _доп > 2 І _н._m = 2· U _вих._m / R _н = 2·4/500 = 0,016 А = 16 мА.

Вибираємо транзистор МП-42А, для якого І _к _доп = 30 мА, U _ке. _доп = 15 В, β _min = 30, β _max = 50, І _к._min _доп = 25 мкА.

2. Для побудови навантажувальної прямої знаходимо (робочу) точку спокою (точка 0), для цього визначаємо

І _к0 = 1,2· І _н._m = 1,2·8 = 9,6 мА;

U _ке0= U _вих._m + U _ост= 4 + 1 = 5 В.

Друга точка (точка 1) навантажувальної прямої U _ке= U _жив = 12 В, І _к = 0.

По отриманим величинам будується навантажувальна пряма.

3. На статичних вихідних характеристиках по навантажувальній прямій знаходимо І = 16,5 мА, звідки

R _заг = U _жив/ I = 12/(16,5·10^–3) = 727 Ом.

Отже,

R _к = R _заг/1,2 = 727/1,2 = 606 Ом;. R _e = R _заг– R _к = 727 – 606 = 121 Ом.

4. Найменший коефіцієнт підсилення за струмом (для схеми СЕ) для транзистора МП42А β _min = 30. Тоді з навантажувальної прямої (при U _ост = 1 В) I _к._max = 15 мА і:

І _вх._max = І _б._max = I _к._max / β _min = 15/30 = 0,5 мА,

що не перевищує величини

Амплітуда вхідного струму І _б_m = (I _б._max – І' _б._min) / 2 = (0,5 – 0,05) / 2 = 0,225 мА.

За вхідною статичною характеристикою (для схеми СЕ):

U _бе._min = 0,11 В; U _бе._max = 0,33 В

2· U _вх._m = U _бе._max – U _бе._min = 0,33 – 0,11 = 0,22 В.

5. Знаходимо вхідний опір транзистора змінному струму:

6. Для визначення R ₁ і R ₂ знаходимо R _1–2≥ 8 R ^≈_вх = 8·489 ≈ 4000 Ом. Звідки:

7. Визначаємо, чи буде схема достатньо стабільна

Отже, робота розрахованого каскаду достатньо стабільна.

8. Визначаємо ємність С _р:

Приймаємо С _р = 3,0 мкФ.

9. Визначаємо ємність С _е

Для повного усунення від’ємного зворотного зв’язку необхідно включити С _е > 132 мкФ. Ця ємність занадто велика. Звичайно використовують С _е = (10÷30) мкФ. Приймаємо С _е = 20 мкФ.

10. Коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі буде дорівнювати

К _U = U _вих._m / U _вх._m = 4/0,11 = 36,4.