Условие задачи
В усилителе (рисунок 5.1,б) транзистор работает в ключевом режиме. Форма входного сигнала приведена на рисунке 5.1,а. Известны следующие параметры схемы:
jВ = (1 – 0,03·N), В; 0,17·N, кОм для гр.Э–1;
jН = (–9 + 0,2·N), В; RH = 0,2·N, кОм для гр.Э–2;
ЕК = (70 – 2·N), В; 0,25·N, кОм для гр.Э–3;
fMAX = 0,03·N, Мгц; tMAX = (60–N), °C; tСР = 20 °С,
где N – номер варианта.
Рисунок 5.1 – Входной импульс (а) и схема (б) однокаскадного ключевого
усилителя
Необходимо:
1) выбрать тип транзистора;
2) рассчитать величину сопротивления резистора RБ;
3) проверить правильность расчета величины сопротивления резистора RБ по условию надежного запирания транзистора при jВ;
4) построить в масштабе диаграммы напряжений uBX и uВЫХ;
5) определить коэффициенты усиления КI, KU, KP.
5.2 Пример решения задачи
Решим задачу для N=30. Рассчитаем исходные данные:
jВ = 1,0 – 0,03·30 = 0,1 В; RН = 0,17·30 = 5,1 кОм;
jН = –9 + 0,2·30 = –3 В; fMAX = 0,03·30 = 0,9 Мгц;
ЕК = 70 – 2·30 = 10 В; tMAX = 60 – 30 = 30 °C.
1. Выбор типа транзистора производится по:
а) максимальному току, который может протекать по коллектору в данной схеме, IК MAX
IК MAX £ [ IК MAX ]; (5.1)
б) максимальному напряжению, которое может прикладываться к коллектору в данной схеме, UК MAX
UК MAX £ [ UК MAX ]; (5.2)
в) максимальной частоте входного сигнала, fMAX
fMAX £ [ fMAX ]; (5.3)
г) максимальной температуре окружающей среды, tMAX
tMAX £ [ tMAX ], (5.4)
где [ IК MAX ], [ UК MAX ], [ fMAX ], [ tMAX ] – паспортные значения вышеперечисленных величин, которые находятся по справочнику.
Максимальный ток по коллектору будет протекать тогда, когда транзистор работает в области насыщения, т.е. когда он открыт и его сопротивление «эмиттер-коллектор» близко к нулю. Поэтому схему выходной цепи транзистора для данного случая можно представить в виде рисунка 5.2, а:
|
Рисунок 5.2 – Схемы выходной цепи ключевого усилителя при открытом (а)
и закрытом (б) состоянии транзистора
Из рисунка 5.2,а следует, что
IК MAX = ЕК / КР = 10 / 5,1 = 1,96 мА
Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером будет возникать тогда, когда транзистор работает в области отсечки, т.е. когда он закрыт и его сопротивление «эмиттор-коллектор» близко к бесконечности. Выходная цепь транзистора для данного случая изображена на рисунке 5.2, б. Из этого рисунка следует:
UК MAX = ЕК = 10 В.
Теперь по рассчитанным и исходным данным необходимо выбрать тип транзистора. Для этого следует воспользоваться любыми справочниками по транзисторам. В таблице 5.1 приведены типы и справочные данные некоторых транзисторов, которые можно применять для решения данной задачи.
Таблица 5.1 – Основные параметры некоторых транзисторов типа p-n-p
| Тип тран-зистора | [ IК MAX ], мА | [ UКЭ MAX ], В | [ fMAX ], Гц | [ tMAX ], °C | h21Э MIN | IКО,мкА tСР=20°С | Материал |
| МП20А | Г | ||||||
| МП20Б | 1.5 | Г | |||||
| МП21Ж | 1.5 | Г | |||||
| МП21Г | Г | ||||||
| МП21Д | Г | ||||||
| МП21Е | 0.7 | Г | |||||
| МП25 | 0.2 | Г | |||||
| МП25А | 0.2 | Г | |||||
| МП25Б | 0.5 | Г | |||||
| МП26 | 0.2 | Г | |||||
| МП26А | 0.2 | Г | |||||
| МП26Б | 0.5 | Г | |||||
| МП40А | Г | ||||||
| МП41 | Г | ||||||
| МП114 | 0.1 | К | |||||
| МП115 | 0.1 | К | |||||
| МП116 | 0.5 | К | |||||
| МП42 | Г | ||||||
| МП42А | Г | ||||||
| МП42Б | Г |
Для дальнейших расчетов выбираем транзистор МП41.
2. Для определения величины сопротивления резистора RБ необходимо вначале определить ток IБ, который протекает по этому сопротивлению. Известно, что
IБ = IK MAX / h21Э MIN. (5.5)
IБ = 1,96 / 15 = 0,131 мА
где h21Э MIN – статический коэффициент усиления по току транзистора МП41 (таблица 5.1).
Обычно IБ нас, т.е. ток базы при котором транзистор надежно перейдет в область насыщения, принимается несколько больше тока рассчитанного по (5.2):
IБ нас = (1,5... 2)· IБ. (5.6)
IБ нас = 0,2 мА.
 |
Величина сопротивления резистора RБ определяется из условия, что транзистор находится в открытом состоянии. Это будет происходит тогда, когда на вход усилителя будет подано напряжение jН, а по входной цепи будет протекать ток IБ нас. Входная цепь транзистора для этого случая показана на рисунке 5.3.
Рисунок 5.3 – Схема входной цепи для открытого состояния транзистора
При помощи рисунка 5.3 составим уравнение по 2 закону Кирхгоффа для входной цепи усилителя:
jН = UЭБ О + IБ нас·RБ, (5.7)
где UЭБ О – падение напряжения между эмиттером и базой открытого транзистора, можно принять равным 0.5... 1 В.
Из (5.7) выразим RБ
RБ = (jН – UЭБ О) / IБ нас = (3 – 1) / 0,2 = 10 кОм.
3. Проверка правильности расчета величины сопротивления резистора RБ производится при условии, что транзистор закрыт входным сигналом jВ. В этом случае по цепи (рис.5.1): (+) входа усилителя, резистор RБ, база, коллектор, нагрузка, ЕК, (–) входа усилителя потечет обратный ток коллектора IК О. Этот ток, протекая по RБ, создает на нем падение напряжения, которое, в свою очередь, уменьшает напряжение подаваемое на переход эмиттер-база транзистора. Поэтому сопротивление резистора RБ не должно быть больше некоторой величины, при которой транзистор может не закрыться.
Изобразим на рисунке 5.4 входную цепь усилителя при закрытом транзисторе.
Рисунок 5.4 – Схема входной цепи для закрытого состояния транзистора
На основании рисунка 5.3 составим уравнение по 2 закону Кирхгоффа для входной цепи усилителя:
jВ = I′К О·RБ + UЭБ З , (5.9)
где UЭБ З – напряжение, прикладываемое между базой и эмиттером, которое необходимо, чтобы закрыть транзистор.
Очевидно, что для закрытия транзистора должно выполняться следующее условие:
UЭБ З = jВ – I′К О·RБ > 0. (5.10)
Отсюда нетрудно получить, что
RБ < jВ / I′К О (5.11)
Обратный ток коллектора сильно зависит от температуры. Его можно определить по следующей формуле:
(5.12)
где IК О (t=20 °C) – паспортное значение обратного тока коллектора при tСР =20 °C (таблица 5.1);
А – коэффициент равный 2 для германиевых транзисторов и 3 — для кремниевых.
Подставим исходные и паспортные значения в (5.12) и (5.11):
I′К О = 15·2(30-20)/10 = 30 мкА = 0,03 мА;
RБ < 0,1 / 0,03 = 3,33 кОм.
Таким образом, по выражению (5.7) RБ = 10 кОм, а по (5.11) он должен быть RБ < 3.33 кОм. Поэтому из таблицы 2.2 выбираем резистор с сопротивлением RБ = 3.3 кОм.
Далее следует уточнить значение тока IБ нас при окончательно выбранном резисторе RБ. Для этого воспользуемся выражением (5.3):
IБ нас = (jН – UЭБ О) / RБ. (5.13)
IБ нас = (3 – 1) / 3,3 = 0,61 мА.
4. Для построения диаграмм uВХ и uВЫХ примем, что транзистор представляет собой идеальный ключ. Это обозначает, что в открытом состоянии транзистора сопротивление «эмиттер-коллектор» равно нулю, а в закрытом — бесконечности. Вначале изобразим в масштабе диаграмму uBX и на основании ее будем строить диаграмму uВЫХ (рисунок 5.5).
До т. 1 uВХ было постоянным и равнялось 0,1 В. Транзистор закрыт, он работает в области отсечки, и его сопротивление «эмиттер-коллектор» близко к бесконечности. Следовательно, по сопротивлению RH ток не течет, и падение напряжения на нем, а значит и uBX, также равны нулю (рисунок 5.5).
В т. 1 напряжение на базе относительно эмиттера начинает уменьшаться, но до т. 1 ′ оно остается больше нуля. Поэтому транзистор до т. 1 ′ закрыт, и uВЫХ также равно нулю (рисунок 5.5).
После т. 1 ′ потенциал базы относительно эмиттера становится меньше нуля и транзистор начинает открываться. Сопротивление «эмиттер-коллектор» уменьшается, и ток на нагрузке увеличивается. Следовательно, напряжение на нагрузке увеличивается (рисунок 5.5).
В т. 2 ′ ток IБ достигает величины IБ нас. Транзистор полностью открывается, и по нагрузке протекает ток IК MAX. При этом uВЫХ = EK.
Транзистор открыт до т. 3 ′. После этого процессы повторяются в обратном порядке (рисунок 5.5).
5. Для определения коэффициента усиления по току воспользуемся результатами (5.1) и (5.13), а для определения коэффициента усиления по напряжению — диаграммами на рисунке 5.5:
KI = IK MAX / IБ нас = 1,96 / 0,61 = 3,23; (5.14)
KU = EK / jH = 10 / 3 = 3,33; (5.15)
KP = KI · KU = 3,23·3,33 = 10,77. (5.16)
 |
Рисунок 5.5 – Временные диаграммы входного и выходного напряжений ключевого усилителя
