Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ

Входная характеристика транзистора изображена на рис. 2, а выходная – на рис. 3. Так как во входной цепи транзистора при любой схеме включения протекает ток, то для расчета рабочего режима транзистора недостаточно одного семейства выходных характеристик, а требуется еще семейство, определяющее режим работы входной цепи. Следует заметить, что в справочниках обычно дана одна входная характеристика, так как входные характеристики, снятые при различных выходных напряжениях, расположены близко друг к другу.

Порядок решения задачи следующий. На семействе выходных характеристик строится линия максимально допустимой мощности, используя уравнение

I_Kmax = P_Kmax / |U_КЭ | = 150 10^–3/|U_КЭ |.

Подставляя в данное выражение значения U_КЭ, равные, например, -7,5, -10, -15 и -20 В, получаем значения I_К, равные 20, 15; 10 и 7,5 мА соответственно. Построенная по этим точкам линия P_Kmax показана на рис. 3.

Затем, используя уравнение линии нагрузки I_K = (Е – U_KЭ) / R_Н на семейство выходных характеристик наносится линия нагрузки: при I_К = 0; U_КЭ = Е – первая точка линии нагрузки; при U_КЭ = 0; I_K = Е/R_H – вторая точка линии нагрузки.

Рис.2

Рис. 3

Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой, соответствующей постоянной составляющей тока базы I_Б0, определит рабочую точку. Ей будут соответствовать постоянная составляющая тока коллектора I_K0 и постоянная составляющая напряжения U_KЭ0.

Амплитуда переменной составляющей тока коллектора определяется как среднее значение:

I_mK = (I_Kmax – I_Kmin) / 2 = мА.

Дальнейший порядок расчета таков.

Амплитудапеременного напряжения на нагрузке

U_mR = U_mКЭ = I_mK R_H.

Коэффициент усиления по току

K_I = I_mK/ I_mБ = .

Выходная мощность

Р_ВЫХ = 0,5I_mKU_mR = мВт.

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи

P₀ = EI_K0 = мВт.

КПДколлекторной цепи

η = Р_ВЫХ / Р₀ = %.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока,

I_K0 = I_K0 U_КЭ0 = мВт,

При сравнении полученной мощности и заданной определяется допустимый режим работы транзистора.

Далее расчет ведется по семейству входных характеристик (рис. 2). Поскольку у транзисторов входные характеристики расположены близко друг от друга, то в качестве рабочей входной характеристики можно принять одну из статических входных характеристик, соответствующую активному режиму, например характеристику, снятую при U_KЭ = –5 В. Это можно сделать в том случае, если источник усиливаемых колебаний работает как генератор тока, т. е. когда внутреннее сопротивление источника колебаний значительно больше входного сопротивления транзистора. Из графика находим, что |U_БЭ0 | = 0,25В.

Амплитуда входного напряжения

U_mБЭ = (U_БЭmax – U_БЭmin ) / 2 = мВ.

Модуль коэффициента усиления по напряжению

|K_U | = U_mКЭ / U_mБЭ = .

Коэффициент усиления по мощности

K_Р = |K_I K_U | =

Входная мощность

Р_ВХ = 0,5I_mБ U_mБ = мкВт.

Входное сопротивление

R_ВХ = 0,5U_mБ / I_mБ = Ом.

Сопротивление резистора

R_Б = (E – |U_БЭ0 | ) / I_Б0 = кОм.

Емкость конденсатора С_Р определяется из условия

1 /( ω_НС_Р) = R_ВХ /10 = .

где ω_Н – низшая рабочая частота.

Тогда

С_Р = 10/ω_Н R_ВХ = 10/2πf_Н R_ВХ = мкФ.

Расчет параметров усилителя для найденной рабочей точки покоя усилителя h_21Э, h_22Э,
R_ВЫХ = 1/h_22Э, h_11Э , R_ВХ и h_21Э = S , а также расчет коэффициентов К_I, K_U, К_P.

Решение

Рассчитаем параметры в рабочей точке, например, при U_KЭ = –7 В и I_K0 = 6 мА:

U_{КЭ = const}

По точкам В и Г (рис. 3) определим

=18.5.

По точкам D и Е определим

I_{Б = const}

h_22Э = 0.7· 10^–3 /6 = 117мкСм;

R_ВЫХ = 1/ h_22Э = 1/(1.117·10^–3) = 8,5 кОм,

параметр

U_{КЭ = const}

По точкам M и N (рис. 3) определим

h_11Э = 40· 10^–3/(0.19· 10^–3) = 210 Ом.

Крутизна характеристики транзистора

S = h_21Э / h_11Э = 18.6/210 = 88 мA/В.

С помощью найденных параметров определим искомые значения по приближенным формулам. Коэффициент усиления по току K_I ≈ h_21Э = 18.5; точнее,

K_I = h_21Э R_ВЫХ /(R_Н + R_ВЫХ ) = 18.5·8.5· 10^–3/(0.5· 10^–3+8.5· 10^–3) = 17.5,

что сходится с результатом графоаналитического расчета.

Входное сопротивление

R_ВХ ≈ h_11Э = 210 Ом,

Коэффициент усиления по напряжению

K_U ≈ –h_21Э R_Н /R_ВХ = –18.5·500/210 = –44;

Коэффициент усиления по мощности

K_Р = |K_I K_U | = 17.5·41.5 = 725.