Изменение обратного тока коллектора

Обратный тока коллектора БТ зависит от температуры перехода нелинейно , и его изменение находиться как

, (60)

 

где − значение обратного тока коллектора при температуре 25º (справочный параметр БТ [7, 8]).

Изменения обратного тока коллектора и коэффициента передачи тока базы вызывают изменение тока коллектора, равное . Так как , то

.

Полученное выражение можно записать в виде , где

. (61)

Следовательно, температурные изменения обратного тока коллектора и коэффициента передачи тока базы по своему воздействию на усилительный каскад равноценны изменению тока базы на величину . Таким образом, температурную реакцию усилительного каскада, обусловленную приведенными выше двумя факторами нестабильности, можно эквивалентно отобразить фиктивным источником тока в цепи базы идеального БТ на рис. 36.

Резистор характеризует сопротивление цепей питания, подключенных к базе. Величина этого сопротивления определяется в соответствии с рис. 37.

Из-за наличия базового делителя напряжения часть тока фиктивного источника тока (рис. 36) ответвляется в сопротивление , а через вывод базы протекает оставшаяся доля, пропорциональная , где входное сопротивление транзистора. Эта часть температурного тока базы управляет током коллектора, который в этих условиях изменяется на

. (62)

 

3.
Тепловое смещение напряжения перехода база-эмиттер

При повышении тепературы перехода база-эмиттер БТ характеристика прямой передачи смещается почти параллельно со скоростью 2,1 мВ на 1º изменения температуры (рис. 38). То есть с ростом температуры те же значения соответствуют меньшим значениям напряжениях . Эффект теплового смещения характеристики можно выразить в эквивалентной форме, считая саму характеристику неподвижной (т.е. БТ − идеальным), а его температурную реакцию моделируя фиктивным источником постоянного напряжения в базовой цепи (рис. 39), величина которого

. (63)

Тепловое смещение напряжения базы вызывает изменение коллекторного тока . Поскольку в реальной схеме имеются цепи питания базовой цепи (), часть напряжения источника будет падать на сопротивлении , а на база-эмиттерный переход попадет оставшаяся его часть, пропорциональная . Поэтому результирующее изменение тока коллектора определяется как

. (64)

Итоговая температурная нестабильность коллекторного тока находится как сумма всех нестабильностей, вызванных изменениями обратного тока коллектора, коэффициента передачи тока базы и тепловым смещением напряжения перехода база-эмиттер,

. (65)

Для расчета температурной нестабильности более сложных схем используют тот же подход, просто учитывая в моделях на рис. 36 и рис. 39 дополнительные элементы схемы. Например, для схемы с эмиттерной термостабилизацией (рис. 20, 25) эквивалентная схема реакции каскада на температурное воздействие будет выглядеть, как показано на рис. 40.

Заметим, что при пересчете во входную цепь сопротивление увеличилось в раза. Это отражение того факта, что напряжение на пропорционально .

При наличии часть теплового изменения напряжения базы и тока базы , приходящаяся на сопротивление (входное сопротивление транзистора), будет значительно меньше, чем в случае его отсутствия. То есть с ростом увеличивается температурная стабильность каскада. Нестабильность коллекторного тока для такой схемы находится как сумма нестабильностей, вызванных влиянием и , с учетом коэффициентов деления, обусловленных наличием и

.

 

Приведя подобные, получим

. (66)

Улучшить термостабильность каскада можно путем оптимизации значений сопротивлений и . Но если с все ясно сразу – с ростом значения термостабильность увеличивается, то для такой однозначности нет. Уменьшение снижает влияние на каскад нестабильности базового тока , но одновременно увеличивается чувствительность каскада к изменению . Увеличение приводит к обратной ситуации. Очевидно, что необходимо выбирать учитывая соотношения значений величин , , . Для оценки влияния на представим (66) в виде

.

Анализируя числитель и знаменатель, видим что для снижения при , т.е. при сопротивление надо брать как можно меньшим и наоборот.

При расчете каскада с учетом термостабильности в исходных данных задается параметр − максимально допустимый коэффициент нестабильности коллекторного тока в процентах. Оптимизацию значений и в каскаде осуществляют до тех пор, пока полученный коффициент температурной нестабильности не станет меньше допустимого, либо пока не будет выяснено, что данное схемотехническое решение не позволяет получить нужной термостабильности.

Приведем алгоритм расчета усилительного каскада с учетом требований термостабильности на примере каскада с эмиттерной термостабилизацией (рис. 20, 25).

1. Рассчитывается .

2. Задается ток в цепи базового делителя .

3. Рассчитываются значения сопротивлений базового делителя и .

4. Определяется температурная нестабильность коллекторного тока и коэффициент температурной нестабильности .

5. Если полученный , увеличиваем сопротивление в (1,5…2) раза. Чем выше значение , тем меньше становиться температурная нестабильность . С другой стороны с ростом уменьшается максимальная амплитуда выходного напряжения каскада. Поэтому пределы увеличения полностью определяются требованиями к максимальному уровню выходной амплитуды сигнала. Единственный способ увеличить , не снижая уровня выходного сигнала, – повысить напряжение питания.

6. Для новых, больших значений повторяем расчет сопротивлений плеч базового делителя и коэффициента температурной нестабильности пока не уложимся в требование , либо пока не достигнем максимально допустимого значения . Эти расчеты удобно осуществлять в математической программе MathCAD, в которой единожды введенные формулы автоматически пересчитываются при новых исходных данных.

7. Если увеличение до максимальных значений не привело к выполнению требований по термостабильности, пробуем оптимизировать сопротивления делителя и . При выполнении условия росту термостабильности способствовует увеличение сопротивления . Для этого нужно уменьшать ток базового делителя. Здесь мы ограничены условием . Если росту термостабильности будет способствовать снижение сопротивления Для этого нужно увеличивать ток делителя. Ограничением для снижения сопротивления являются требования к потребляемому каскадом току ( растет – растет и общий потребляемый ток). Другие ограничения связаны со снижением сквозного коэффициента усиления, поскольку низкое значение сопротивления будет шунтировать входной сигнал.

8. Если оптимизация и не привела к выполнению требований по термостабилизации, нужно использовать другие схемы стабилизации рабочей точки.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Задание 1. На основе ВАХ БТ, приведенных в табл. 1 для заданного преподавателем варианта, в рабочей точке указанного БТ определить графическим способом его h-параметры и построить для схемы включения БТ с ОЭ (рис. 12) его эквивалентную схему с использованием h-параметров.

Таблица 1

Вариант №	Тип БТ	Параметры рабочей точки	Вариант №	Тип БТ	Параметры рабочей точки
, мА	, В	, мА	, В
	КТ 332Б	0,8			КТ 201Г
	КТ 210А	6,5			КТ 206А
	КТ 815В				КТ 208Ж
	КТ 368Б	4,5			П 308
	КТ 325А				КТ 301Г	3,1
	КТ 3102А				КТ 349В
	КТ 3107К				КТ 333Д	0,95
	КТ 316Б				КТ 348Б	1,7
	КТ 345В	7,5			КТ 352А
	КТ 313Б				КТ 364Б
	КТ 361Д				КТ 373В	2,4
	КТ 503Е				КТ 379А
	КТ 312В	7, 5			КТ 339А
	КТ 340А				КТ 355А
	КТ 342				КТ 363А	3,2

 

Отчет по 1-му заданию должен содержать: определение h-параметров, ВАХ указанного БТ с графическими построениями для определения каждого из h-параметров, расчетные выражения h-параметров, эквивалентную модель БТ на основе h-параметров. Следует сравнить полученные значения БТ с его справочными данными.

 

Задание 2. На основе полученных в задании 1 h-параметров БТ рассчитать и построить Т-образную физическую эквивалентную схему БТ (рис. 5) и эквивалентную схему БТ при включении с ОЭ на основе y-параметров (рис. 13).

В отчете следует привести выражения для расчета параметров модели и эквивалентные схемы БТ.

 

Задание 3. Рассчитать аналитически параметры эквивалентной малосигнальной схемы БТ для включения с ОЭ (рис. 14) для указанного в таблице 1 варианта задания и построить эквивалентную схему БТ.

В отчете необходимо привести формулы для расчета параметров модели, найти максимально реализуемый в схеме с ОЭ коэффициент усиления по напряжению . Сравнить полученные аналитически параметры эквивалентной малосигнальной схемы БТ с соответствующими параметрами эквивалентной схемы БТ на основе h-параметров, полученными графическим методом. Напряжение Эрли для расчета дифференциального выходного сопротивления БТ необходимо определить графическим методом, сравнить его значение с теоретическим интервалом значений. Для приблизительной оценки (в случае отсутствия ВАХ конкретного БТ) можно брать его значение, равное усредненной величине между максимальным и минимальным значением в интервале.

 

Задание 4. Произвести расчет по постоянному току схем на рис. 17, 18, 19, 20, 21. Тип БТ указан в табл. 1 варианта задания 1. Напряжение питания схем задать положительным и равным значению варианта задания, увеличенному в 1,5 раза, . Ток БТ необходимо выбирать по рекомендациям для установки рабочей точки по постоянному току. Для вариантов задания с p-n-p типом БТ следует модернизировать схемы на рис. 17, 18, 19, 20, 21 под установку рабочей точки для БТ p-n-p типа. Для схемы на рис. 17 напряжение смещения задать равным 2 В, .

В отчете должны быть приведены: все схемы формирования режима по постоянному току с указанными на них номиналами и мощностями резисторов, и напряжениями, рассчитанными в каждом узле схемы и на выводах БТ относительно земляного проводника. Должны быть приведены расчетные выражения и собственно сам расчет по постоянному току для каждой из схем рис. 17, 18, 19, 20, 21. Величина сопротивлений должна быть выбрана из ряда элементов Е24. Для каждого резистора схемы следует произвести оценку рассеиваемой на нем мощности и в соответствии с величиной рассчитанной мощности выбрать тип резистора, для БТ следует определить запасы по предельной рассеиваемой мощности на коллекторе БТ и по максимально допустимым и .

 

Задание 5. Произвести расчет по переменному току всех схем рис. 25, 26, 28. Требования термостабильности не учитываем. Тип БТ выбирается по номеру варианта табл. 1 из первого задания. Исходные данные для расчета параметров каскада необходимо взять в табл. 2 в соответствии с номером варианта. Режим по постоянному току для всех типов включения БТ на рис. 25, 26, 28 должен быть задан одинаковым. Предварительно следует произвести расчет параметров эквивалентных схем всех усилительных каскадов (ОЭ, ОБ, ОК на рис. 25, 26, 28) как формализованного узла в соответствии с рис. 29, как источника напряжения, управляемого напряжением, к которому подключается источник сигнала и нагрузка. Нарисовать эквивалентную схему. Свойства всех рассчитанных эквивалентных схем (ОЭ, ОБ, ОК) свести в отдельную таблицу и сравнить между собой.

Таблица 2

Вариант №
		2,2		-	0,4	?	0,1
				-		?
		0,1	?	?	0,2		1,6
			-		0,1	?
		0,51		-	0, 05	?
			?	?			0,8
		5,6		-	0,6	?
				-		?
				-		?	0,6
		2,2	-			?
		0,56	-		0,3	?
		0,68		-	0,8	?	0,05
		0,3	?	?	5,6		0,1
		1,3		-	2,2	?	0,3
			?	?			0,2
		0,75	?	?	0,2		0,6
		4,3		-		?
			-		0,56	?	0,4

Окончание таблицы 2

		1,8		-		?	2,5
				-	0,01	?	0,01
		0.1	-		0.05	?	0,05
	4,4			-	0,5	?	1,3
			-		0,2	?
		0,3	-		0,4	?
		1,8		-	3,3	?
	6,3	0,4		-		?
		1,5	?	?	0,6		0,18
		4,3	-			?	1,2
				-	0,8	?	1,6
	7,5	6,8		-		?

 

и в табл. 2 соответствуют действущим величинам напряжения на нагрузке и источнике сигнала. В вариантах задания, где вместо задана мощность в нагрузке , следует действующее значение напряжения на нагрузке найти из величины . Знаком «?» в табл. 2 обозначен параметр, который должен быть найден в результате расчета свойств усилительного каскада по переменному току с учетом и . Расчет следует произвести для всех вариантов включения БТ по переменному току.

В отчете по заданию должны содержаться: полные принципиальные схемы всех усилительных каскадов (ОЭ, ОБ, ОК) с рассчитанными элементами схемы, включая элементы формирования рабочей точки, блокировочные и разделительные конденсаторы, которые должны соответствовать ряду элементов Е24; эквивалентная схема усилительного каскада как формализованного узла в соответствии с рис. 29; таблица свойств эквивалентной схемы для всех вариантов включения БТ; найденные значения параметров, обозначенные знаком «?» в табл. 2, для всех схем на рис. 25, 26, 28; приведены аналитические выражения для расчета и собственно сам расчет по переменному и постоянному току.

Задание 6. Произвести расчет по постоянному и переменному току однокаскадных усилителей, представленных на рис. 34, 35, 36, 37 прил. Добавить к схеме каскада недостающие элементы: источник сигнала, нагрузку, разделительные и блокировочные конденсаторы. Сопротивление генератора , сопротивление нагрузки , напряжение питания задать самостоятельно. Тип БТ также выбрать самостоятельно по справочнику [7, 8]. Определить параметры каскадов усиления: входное и выходное сопротивления усилительного каскада, сквозной коэффициент усиления по напряжению. При выполнении задания следует воспользоваться короткими пояснениями к схемам и в случае недостатка информации воспользоваться дополнительной литературой [6, 9, 10]. В отчете должны быть представлены полные принципиальные схемы усилительных каскадов, выполненных по ГОСТу, со всеми рассчитанными и выбранными типами элементов, расчетные выражения, и сам расчет.

 

Задание 7. Произвести расчет по постоянному и переменному току двухкаскадных усилителей, представленных на рис. 38 - 41 прил. Так же как в задании 6 следует добавить к схеме каскада недостающие элементы: источник сигнала, нагрузку, разделительные и блокировочные конденсаторы. Сопротивление генератора , сопротивление нагрузки , напряжение питания задать самостоятельно. Тип БТ также выбрать самостоятельно по справочнику [7, 8]. Определить сквозной коэффициент усиления двухкаскадных усилителей по напряжению. При выполнении задания следует воспользоваться короткими пояснениями к схемам и в случае недостатка информации воспользоваться дополнительной литературой [6, 9, 10]. В отчете должны быть представлены полные принципиальные схемы усилительных каскадов, выполненных по ГОСТу, со всеми рассчитанными и выбранными типами элементов, расчетные выражения и сам расчет.

Задание 8. Разработать усилительный каскад, удовлетворяющий следующим требованиям: сквозной коэффициент усиления по напряжению , предельно допустимая нестабильность коллекторного тока , , . Тип БП брать из табл. 1, а − из табл. 2 в соответствии с номером варианта задания. Тип включения БТ выбрать самостоятельно. Расчет коэффициента термостабильности для схемы включения с ОБ аналогичен приведенному ранее для схемы с ОЭ. Сопротивление нагрузки подобрать самостоятельно.

В отчете должны присутствовать: выбор структуры цепей питания и термостабилизации; описание хода оптимизации схемы для достижения заданного коэффициента температурной нестабильности и сквозного коэффициента усиления .

Приложение

На рис. 1 изображен усилительный каскад с ОЭ и фиксированным напряжением на базе. Роль источника напряжения в базовой цепи БТ выполняет диод . Схема обладает неплохой термостабильностью, так как прямое падение напряжения на диоде и прямое падение напряжения на переходе Б-Э транзистора при изменении температуры окружающей среды изменяются синфазно. В мощных усилителях для более точного соответствия температуры диода температуре транзистора диод конструктивно может быть расположен непосредственно на корпусе БТ . Для расчета необходимо выбирать тип диода с прямым падением напряжения на диоде не менее (0,7…0,8) В. Как правило, это достаточно сильноточные диоды. Ток делителя выбирается из соображений обеспечения именно рекомендованного прямого падения напряжения на диоде в соответствии с ВАХ диода или его справочными данными, но не менее чем 10 токов базы. Частотные свойства диода не имеют значения, так как диод работает только по постоянному току. Дифференциальное сопротивление открытого диода небольшое (десятки…сотни Ом), поэтому входное сопротивление каскада определится параллельным соединением сопротивления R2, величина которого в схеме на рис. 1 получается, как правило, небольшой (от сотен Ом до единиц кОм) и входным сопротивлением БТ .

На рис. 2 представлен усилительный каскад с ОЭ на составном БТ p-n-p структуры по схеме Дарлингтона с ООС по току и фиксированным напряжением на базе. Базовый делитель VD1, R1 обеспечивает стабилизацию напряжения для базовой цепи. Ток делителя определяется рабочим током стабилитрона VD1, при котором обеспечивается справочное напряжение стабилизации. Составной транзистор выполнен на БТ VT1-VT2, его следует при оценке свойств по переменному току считать одним транзистором (новые выводы у составного БТ − , , ) с параметрами:

коэффициент усиления по току ,

входное сопротивление ,

крутизна ,

выходное сопротивление .

Сопротивление R2, как и в схеме на рис. 35, служит для увеличения входного сопротивления усилительного каскада.

На рис. 3 изображен усилительный каскад с ОЭ и источником тока для фиксации тока базы. Ток базы VT2 задается источником тока, выполненным на БТ VT1. Величина тока источника тока, равна . Так как входное сопротивление источника тока (коллектор VT1) достаточно велико, то входное сопротивление всего усилительного каскада равно . Диоды VD1, VD2 в делителе напряжения VT1 фиксируют напряжение на базе VT1. Ток делителя выбирается как в схеме на рис. 1. Величина сопротивления R2 задает .

На рис. 4 изображен усилительный каскад с ОЭ и комбинированной ООС по току. Для термостаби­лизации рабочей точки VT1 базовый ток подается с коллектора БТ. Для регулирования коэффициента усиле­ния каскада используется R3, величина его может быть небольшой, поэтому падение напряжения на нем не обя­зательно должно удовлетворять условию . Коэффициент усиления каскада по напряжению равен . Выходное и входное сопротивления соответствуют выражениям:

, .

На рис. 5 представлен простой двухкаскадный усилитель с ОЭ и с ОК и гальванической связью между каскадами. Установку рабочей точки любого многокаскадного усилителя следует начинать с выходного каскада, так как уровень выходного сигнала на выходе максимален. Ток коллектора VT1 должен быть, как и в случаях использования обычного базового делителя напряжения, на порядок больше базового тока VT2. Потенциал коллектора VT1 задается потенциалом базы VT2. Расчет по переменному току ведется также от выхода схемы к её началу. В качестве нагрузки усилителя на VT1 должно быть использовано входное сопротивление каскада ОК на VT2. Так как коэффициент усиления каскада на VT2 стремится к единице, то общий коэффициент усиления по напряжению определяется коэффициентом усиления по напряжению усилителя на VT1.

На рис. 6 изображен двухкаскадный усилитель (ОЭ и ОЭ) с общей ООС по напряжению, вследствие того, что ООС на базу VT1 заведена с выхода второго каскада, усилитель отличается повышенной термостабильностью. Для расчета по переменному току усилитель на БТ VT1 можно рассматривать как модернизированный вариант схемы, представленный на рис. 21 и 33. Коэффициент передачи всего усилителя равен произведению коэффициентов усиления по напряжению обоих каскадов. Расчет по постоянному току так же, как и для схемы усилителя на рис. 5 следует начинать с выходного каскада. Падение напряжения на сопротивлении R4 должно быть не меньше, чем падение напряжения на переходе Б-Э VT1 плюс падение напряжения (под действием протекающего базового тока VT1) на сопротивлении R2. Потенциал коллектора VT1 задается потенциалом базы VT2.

На рис. 7 изображен усилительный каскад с ОЭ и динамической нагрузкой в цепи коллектора. Роль динамической нагрузки выполняет источник тока на VT1. Установка источника тока в цепи коллектора БТ VT2 вместо коллекторного сопротивления позволяет резко повысить ненагруженного каскада. Поэтому целесообразно для сравнения свойств нагруженного и ненагруженного усилителя рассчитать без сопротивления нагрузки, потом добавить нагрузку и снова рассчитать . Внутреннее сопротивление источника тока [6] на БТ VT1 соответствует выражению

.

На рис. 8 изображена каскодная схема ОЭ-ОБ. Ком­бинация ОЭ-ОБ позволяет получить расширение полосы пропускания усилителя в область высших частот, харак­терное для схемы с ОБ, при достаточно большом входном сопротивлении каскада, характерном схеме с ОЭ. Нагруз­кой VT1 служит малое входное сопротивление каскада на VT2 по схеме с ОБ, поэтому VT1 мал, и потому задают примерно, как . Оставшееся напря­жение питания равномерно распределяют между VT1 и R4.

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Ленинград: Энергоатомиздат, 1985.

2. Ровдо А.А. Схемотехника усилительных каскадов на биполярных

транзисторах. – М.: Додека, 2002.

3. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов /

Г.И. Изъюров, Г.В.Королев, В.А. Терехов и др. – М.: Высш. шк., 1987.

4. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. – М.: ИП РадиоСофт, 2002.

5. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. – М.: Радио и связь, 1989.

6. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. У. Титце,

К. Шенк: пер. с нем. – М.: Мир, 1983.

7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.Г. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под. ред. Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981.

8. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник / В.Л. Аронов,

А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

9. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. – М.: Мир, 1991.

10. Искусство схемотехники / П.Хоровиц, У. Хилл − М.: Мир. 2002.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Модели биполярного транзистора………………………………………………….3

2. Установка рабочей точки биполярного транзистора………………..……………11

3. Схемы включения биполярного транзистора по переменному току................…20

4. Расчет основных параметров каскадов усиления по переменному току в области низких частот………………………………………………………………………….23

5. Температурные свойства транзистора. Оценка термостабильности.......………29

6. Задания для самостоятельной работы…………………………………….………36

7. Приложение…………………………………………………………………………41