2.1. Краткие теоретические сведения

Усилитель – это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

В усилительном каскаде на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис.15), в коллекторную цепь транзистора включен резистор R_к, с помощью которого формируется выходное напряжение.

Рис. 15. Схема транзисторного усилительного каскада с эмиттерной

стабилизацией рабочего режима

Делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂ определяет значение тока базы I_б0, обеспечивающего положение рабочей точки покоя Р_т в режиме класса А. Для уменьшения влияния температуры на режим работы транзистора в цепь эмиттера включен резистор R_э, который осуществляет последовательную отрицательную обратную связь по постоянной составляющей. Конденсатор C_э исключает влияние отрицательной обратной связи по переменной составляющей (т. е. для полезного сигнала). Разделительный конденсатор C_р1 устраняет влияние внутреннего сопротивления источника входного сигнала U_вх на режим работы транзистора по постоянному току. Конденсатор C_р2 обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей U_вых, которая может подаваться на нагрузочный резистор R_н.

2.2. Методические указания

2.2.1. Записать параметры заданного транзистора, изобразить схему усилительного каскада (см. рис. 15) и объяснить назначение каждого элемента схемы.

2.2.2. Перечертить входную характеристику I_б = f (U_бэ) при U_кэ = – 5 В и семейство выходных вольт-амперных характеристик I_к = f (U_кэ) при I_б = const, на которых по нескольким точкам построить кривую допустимой мощности P_к = I_кU_к = P_доп, рассеиваемой транзистором (рис. 16). Ниже этой кривой из точки U_кэ = E_к, выбрав наиболее подходящий угол наклона, провести нагрузочную линию U_кэ = E_к – I_к(R_к+R_э), на которой выбрать и отметить положение рабочей точки покоя Р_т в режиме класса А и допустимые при этом пределы изменения амплитуды базового тока ±I_mб, соответствующие максимальному значению входного сигнала. Положение рабочей точки на входной характеристике должно соответствовать значению тока I_б0, при котором выбрана рабочая точка на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики.

2.2.3. На графиках выходных и входной характеристик изобразить (подобно рис. 16) кривые i_к = I_к0 + I_m к sin(t), u_кэ =U_кэ0 + U_m кэsin(t), i_б = I_б0 + I_m бsin(t).

По графикам определить и записать значения: I_б0; ±I_m б = ±0,5 (I_б max – – I_б min); I_к0; ±I_m к = ±0,5 (I_к max – I_к min); I_э0 = I_б0+I_к0; U_бэ0; ±U_m бэ = ±U_m вх; U_кэ0; ±U_m кэ = ±U_m вых = ±0,5(U_кэ max – U_кэ min).

2.2.4. Рассчитать значения h_э-параметров для схемы с общим эмиттером:

h11э = h11б / (1+h21б); (23) h12э = (h11бh22б – h12бh21б – h12б) / (1+h21б); (24)

h21э = – h21б / (1+h21б); (25) h22э = h22б / (1+h21б). (26)

Для схемы включения транзистора с общим эмиттером определить входное сопротивление транзистора r_{вх транз} = h_11э и коэффициент передачи тока  = h_21э.

а

б

Рис. 16. Определение рабочего режима транзистора по входной характеристике (а) и по семейству выходных характеристик (б)

2.2.5. Рассчитать значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов:

R_э = (0,2,…,0,3) E_к / I_э0. (27)

Задавшись значением сопротивления R₁ = (2,…,5) r_{вх транз}, определить

I_дел = (I_э0R_э + U_бэ0) / R₁; (28)

R₂ = (E_к – I_делR₁) / (I_дел + I_б0); (29)

R_к = (E_к – U_кэ0 – I_э0R_э) / I_к0, (30)

или принять I_дел = (2,…,5) I_б0 и найти

R₁ = (I_э0R_э + U_бэ0) / I_дел; (31)

R₂ = (E_к – I_делR₁) / (I_дел + I_б0); (32)

R_к = (E_к – U_кэ0 – I_э0R_э) / I_к0. (33)

Эквивалентное сопротивление базовой цепи для переменной состав-ляющей входного тока

R_б = R₁R₂ / (R₁+R₂). (34)

Значения емкости конденсаторов при частотной полосе входного сигнала в пределах f_н = 100 Гц, f_в = 10000 Гц определяются так:

C_э = 10⁷ / [(1,…,2)2f_нR_э]; (35)

C_р1 = C_р2 = 10⁷ / [(1,…,2)2f_нR_{каск вх}], (36)

где C_э, C_р1 и C_р2 – в мкФ.

2.2.6.Определить параметры усилительного каскада.

Входное и выходное сопротивления каскада определяются следующим образом:

R_{каск вх} = R_бr_{вх транз} / (R_б + r_{вх транз}); (37)

R_{каск вых} = R_к / (1 + h_22эR_к). (38)

Коэффициенты усиления каскада без дополнительной внешней нагрузки, а также без учета внутреннего сопротивления источника входного сигнала имеют вид:

K_I = I_вых / I_вх   ; (39)

K_U = – (R_к) / R_{каск вх}; (40)

K_P = K_IK_U. (41)

Полезная выходная мощность каскада

P_вых = 0,5 (U_{m вых})² / R_к. (42)

Полная мощность, расходуемая источником питания,

P₀ = I_э0E_к + I²_дел (R₁ + R₂) + I²_б0R₂. (43)

Электрический КПД усилительного каскада

_э = (P_вых / P₀) 100%. (44)

Коэффициент нестабильности каскада по коллекторному току (желательно, чтобы он был меньше)

S =  / (1+) или S  1+ R_б / R_э, (45)

S  (R_б + R_э) / [(1+h_21б) R_б + R_э], (46)

где  = R_э / (R_б + R_э).