Расчет усилителя на биполярном транзисторе

Исходными данными для расчета усилителей являются:

· коэффициент усиления;

· параметры входного сигнала (амплитуда, частота, длительность импульса и др.)

· температурный режим.

На основании исходных данных выбирают:

· вид транзистора (биполярный, полевой);

· способ включения (с общей базой, эмиттером, коллектором, затвором, стоком, истоком);

· напряжение источника питания.

Из справочника по полупроводниковым приборам выписывают эксплуатационные параметры выбранного транзистора:

· максимальный допустимый выходной ток ();

· максимально допустимое напряжение между выходными электродами();

· максимально допустимую мощность, рассеиваемую выходным электродом транзистора();

· в масштабе удобном для расчетов изображают копии входных и выходных характеристик выбранного транзистора.

Рассчитывают усилитель в такой последовательности.

1. Выбирают рабочую точку на линейном участке выходной характеристики.

2. В окрестности рабочей точки определяют H- параметры по формулам:

; ;

; .

Входные и выходные токи и напряжения для каждой схемы включения транзистора будут свои, например, для схемы с общим эмиттером и т. д.

3. Используя рассчитанные в пункте 2 H- параметры определяют оптимальное эквивалентное сопротивление нагрузки, при котором происходит максимальное усиление мощности входного сигнала

где это параллельное соединение и следующего каскада.

4. Для любой схемы включения транзистора определяют основные параметры усилителя по следующим формулам:

- коэффициент усиления по току;

- входное сопротивление;

- коэффициент усиления по напряжению;

- коэффициент усиления по мощности.

5. Изображают схему усилителя и рассчитывают величину сопротивлений по заданной рабочей точке. Расчет поясним на примере схемы, приведенной на рис. 3. 1.

Рис. 3. 1. Схема усилителя со стабилизацией рабочей точки

Пусть в рабочей точке А имеем , при напряжении питания . Определим сопротивление резисторов и .

а) Примем, что падения напряжения на резисторах и равны напряжению , т. е. , тогда

.

б) Определим . Учитывая, что , а будем иметь .

в) Определяем . Учитывая, что будем иметь , т. е. .

г) Зададим коэффициент нестабильности . Тогда .

д) Находим сопротивление из соотношения

где .

е) Определяют величины разделительных и блокировочных емкостей

; ; ,

где - нижняя частота входного сигнала,

6) Проверка правильности расчета (определение параметров рабочей точки по значениям сопротивлений).

а) Определяют потенциал точки Б (см. рис. 3. 1) по формуле

.

б) Напряжение для конкретного транзистора известно. Например, для кремниевого транзистора в зависимости от тока коллектора. При расчетах принимают среднее значение.

в) Определяют потенциал эмиттера .

г) Определяют ток эмиттера и принимают

д) Определяют

Таким образом определили параметры в рабочей точке

Если рабочая точка в схеме усилителя задается величиной тока базы, протекающего через резистор , то величина сопротивления этого резистора определяется по формуле

где - токи и напряжения в рабочей точке А.

3.2. Расчет усилителя на полевом транзисторе.

1. Формулируют исходные данные для расчета (см. п. 3.1).

2. Выбирают рабочую точку на линейном участке выходной характеристики.

3. В окрестности рабочей точки определяют У - параметры по формулам:

- входная проводимость;

- проводимость обратной передачи;

- проводимость прямой передачи;

- выходная проводимость.

Здесь входные и выходные токи и напряжения и их приращения определяются схемой включения транзистора.

4. Изображают схему, например, рис. 3. 2 и производят расчет величин по следующей методике.

Рис. 3. 2. Схема резисторного усилителя на полевом транзисторе

а) Для стабилизации рабочей точки, в связи с разбросом параметров транзистора, в цепь истока включают большее, чем это необходимо для создания нужного смещения. Излишнее смещение компенсируют с помощью делителя .

Величины определяют, используя формулы

,

где и - отклонения тока стока в рабочей точке, вызванные разбросом параметров транзистора: , , , . Эти параметры приводятся в справочнике. Для транзистора с р- каналом , а для транзисторов n- каналом . Практически считано, что разброс параметров вызывает отклонение тока стока в рабочей точке на от среднего значения, что соответствует .

Например, ток в рабочей точке . Задаемся отклонениями тока: и . Пусть транзистор имеет следующий разброс параметров: , . Подставляя эти значения в формулу, получим =8,5 кОм.

Зная определяют напряжение смещения, создаваемое

Подставим данные, полученные в пункте а), получим

.

б) Величины определяют, исходя из следующих соображений. Для лучшей передачи нижних частот сопротивление в цепи затвора выбирают в пределах до 1- 2 мОм. Падение напряжения на за счет тока утечки затвора должно быть значительно меньше напряжения отсечки.

Выберем , тогда для обеспечения (см. пункт а) необходимо взять . Величину выбирают исходя из условия на частоте

в) Величину определяют, используя следующие соотношения

Обычно принимают тогда

г) Коэффициент усиления в области средних частот определяют по формуле

где - крутизна характеристики транзистора, которая имеет максимальное и минимальное значения в связи с разбросом параметров транзистора,

.

Следовательно, коэффициент усиления может изменяться и быть равным или

д) Величину емкости определяют, исходя из условия

или ,

где

Если в схеме усилителя напряжение смещения создается только на (без делителя), то