Расчет термостабилизирующих резисторов выходного каскада

 

Включение уравнительных резисторов в эмиттерные цепи силовых транзисторов образует местную отрицательную обратную связь по току, что повышает входное сопротивление каскада и увеличивает потери мощности, а следовательно снижает коэффициент полезного действия. Вместе с тем выходной каскад, с которого начинается проектирование усилителя, рассчитывается, как правило, на обеспечение отдаваемой в нагрузку мощности, поэтому величина коэффициента передачи каскада является второстепенным показателем. Основное значение имеет достижение наибольшего коэффициента полезного действия путем более полного использования силовых приборов при возможно меньших потерях мощности в них.

Резистор R _б, подключенный к базе транзистора влияет на допустимое напряжение закрытого транзистора и величину сквозного тока закрытого транзистора i _к.закр. Включение резистора R _б шунтирует вход каскада, т. е. снижает его входное сопротивление, что вызывает увеличение тока, отдаваемого предыдущим каскадом усиления. Максимально допустимое значение R _б указывается в справочных данных транзисторов.

Величина резистора R _б определяется из условия минимума потерь в каскаде при максимальном сигнале. Если R _б увеличивается, то возрастает ток транзистора закрытого плеча каскада i _к.закр, что вызывает увеличение потерь мощности на закрытом транзисторе P _к.закр. = 2 U _ИП i _к.закр. Если R _б уменьшается, то растут потери мощности на данном сопротивлении открытого плеча . Следовательно, необходимо определять значение R _б = R _{б opt}, обеспечивающее минимум потерь мощности в каскаде.

Величину сквозного тока закрытого транзистора i _к.закр можно определить по эквивалентной упрощенной схеме транзистора – схеме Эберса - Молла, показанной на рис. 2.9, где приняты следующие обозначения: a I _э – генератор тока, характеризующий усилительные свойства транзистора; I _к.б0 N – генератор тока, характеризующий обратный ток коллекторного перехода; r _б – объемное сопротивление базы; i _с, e _с – источники входных сигналов; R _б, R _э – внешние резисторы, U _д.э(i _э) – нелинейная вольт-амперная характеристика эмиттерного p - n перехода, определяемая соотношением

где m = (1¼2) – эмпирический поправочный коэффициент; I _э.б0 – обратный ток перехода эмиттер-база; j_т – тепловой потенциал, определяемый соотношением , здесь K _з = 0,75…1,0 – коэффициент запаса; – температура перехода транзистора.

Рис. 2.9

Ток коллектора транзистора при известных значениях сопротивлений R _б и R _э, тока источника i _с, напряжения источника e _с может быть определен по эквивалентной схеме

где a – коэффициент передачи тока в схеме с общей базой; N – число параллельно включенных транзисторов; I _кб0 – обратный ток перехода коллектор-база; I _э0 – тепловой обратный ток эмиттерного перехода.

При пассивном запирании транзистора i _с = 0 и e _с = 0, тогда из выражения (2.19) получаем зависимость R _б от тока коллектора транзистора в закрытом состоянии

где объемное сопротивление базы r _б может быть определено по входной характеристике транзистора в области больших токов ; значения обратных токов переходов I _кб0 и I _э0 определяются из справочной литературы, при отсутствии необходимой информации можно задать отношение токов , а обратный ток перехода коллектор–база как функция температуры и обратного напряжения определяется соотношением

здесь ξ _i = 0,5…2 – коэффициент, учитывающий технологический разброс величин обратного тока; g[1/ºС] = (0,07…0,1) – масштабный коэффициент; = 20ºС – нормальная температура перехода; – тепловой ток перехода, измеренный при = 20ºС; K _уг – коэффициент утечки и генерации носителей заряда.

Пример. Рассмотрим определение обратного тока перехода коллектор-база для транзистора КТ809А при температуре = 60ºС и = 40 В. Из справочных данных следует: I _кб0(25⁰С, 400 В) = 3 мA; I _кб0(125ºС, 300 В) = 10 мA, принимаем ξ _i =0,5; g = 0,1[1/ºС]; K _з = 0,8 тогда

либо с учетом значений обратных токов перехода коллектор–база

Решение системы уравнений дает следующие значения: I _п0(20ºС) = 0,52 мкА; K _у.г = 7,45 мкА/В, используя которые можно определить искомое значение обратного тока через переход коллектор–база при заданных значениях температуры перехода и напряжении коллектор–эмиттер. В результате получим

При построении зависимости R _б(i _к.закр) необходимо учитывать, что минимальное значение i _к.закр не должно давать под знаком логарифма отрицательного значения, а максимальное значение i _к.закр не должно давать отрицательного числа в знаменателе. Следовательно, аргумент функции может изменяться в пределах:

Потери мощности в каскаде определяются следующим образом:

где P _закр = 2 U _ИП i _к.закр – потери мощности в закрытом плече каскада; P _откр = P _вх + P _э + P _кэ – потери мощности в открытом плече каскада. Здесь:

– потери во входной цепи; – потери на эмиттерном сопротивлении; – потери на открытом транзисторе.

Тогда общие потери мощности в каскаде

а коэффициент полезного действия каскада как функция R _б

Пример. Проведем расчет термостабилизирующего резистора выходного каскада, показанного на рис. 2.8. Для определения R _б в соответствии с соотношениями (2.20) и (2.21) построим зависимости i _к.закр(R _б) и для следующих исходных данных: транзисторы VT ₁ и VT ₂ марки КТ816А (КТ817А); R _э.ур. = 2 Ом; I _кб0 = 0,1 мА; I _э0 = 0,05 мА; = 150º С; m = 2; b = 40; = 5 Ом; U _н = 7 В; I _н = 2 А; U _ИП = 9 В.

Определяем температурный потенциал

а затем, подставляя исходные данные в (2.19) и (2.20) получаем функциональные зависимости i _к.закр(R _б) и η(i _к.закр(R _б), R _б)

где аргумент функции изменяется в пределах:

Результаты расчетов сведены в табл.2.4 и представлены в виде графиков на рис. 2.10, где кривая 1 – i _к.закр(R _б); кривая 2 – η(i _к.закр(R _б), R _б). Также на рис. 2.10 показано ограничение по предельно допустимому значению R _б, которое может быть включено в цепь базы транзистора соответствующего типа (из паспортных данных транзистора).

Таблица 2.4

Зависимости i _к.закр(R _б) и η(i _к.закр(R _б), R _б)

i к.закр, мА	R б, Ом	h
0,21	402,48	0,7740
0,50	664,54	0,7753
0,75	822,01	0,7755
1,00	874,78	0,7757
2,00	1413,82	0,7753
3,00	1908,47	0,7747
4,00	2564,02	0,7741
5,00	3574,86	0,7735
6,00	5455,01	0,7729

 

Как видно из рис. 2.10 функция η(i _к.закр(R _б), R _б) имеет экстремум при R _б = 874,78 Ом, который находится левее R _{б max доп}. Следовательно, данное значение является оптимальным. Если бы экстремум функции η(i _к.закр(R _б), R _б) находился правее R _{б max доп}, то в качестве оптимального следовало принять R _б = R _{б max доп}.

Рис.2.10

 

 

РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

 

3.1 Выбор транзисторов предварительных каскадов усиления

Выходная цепь каждого последующего каскада многокаскадного усилителя мощности является нагрузкой предыдущего, что иллюстрируется структурой усилителя, показанной на рис. 3.1, где приняты следующие обозначения: ОУ – операционный усилитель; УК₁, …, УК _i – каскады предварительного усиления; УМ – усилитель мощности (оконечный каскад усиления).

Рис.3.1

 

Таким образом, для расчета каждого предыдущего каскада необходимо знать параметры последующего, а именно:

– максимальное значение входного тока каскада следующего за рассчитываемым, который для последнего является током нагрузки;

– входное сопротивление каскада следующего за рассчитываемым, которое для последнего является сопротивлением нагрузки.

Обычно все каскады многокаскадного усилителя запитываются от одного источника питания, следовательно, выбор транзисторов всех каскадов усиления должен производиться с учетом обязательного выполнения условия

в случае двухтактных схем при симметричном источнике питания.

Кроме того, как показано в п.2, транзисторы должны удовлетворять условиям (2.6). При этом для проверки требования к максимально допустимым значениям тока можно использовать приближенное значение тока нагрузки (входного тока последующего каскада), который в основном определяется максимальным значением тока базы последующего каскада. В результате

где N – число параллельно включенных транзисторов в одном плече каскада усиления, следующего за рассчитываемым; , – максимальное значение тока и минимальное значение коэффициента передачи тока транзистора i -го каскада усиления.

Если же в ходе расчетов ток нагрузки очередного каскада окажется меньше, чем допустимый ток нагрузки операционного усилителя, который предполагается использовать в качестве предварительного усилителя-сумматора, то необходимость во включении промежуточных каскадов усиления, построенных на транзисторах, отпадает, и компоновка принципиальной электрической схемы всего усилительного устройства на этом завершается.

Сопротивлением нагрузки (i -1)-го каскада является входное сопротивление i -го каскада, величина которого зависит от схемы соответствующего каскада усиления.

Так для оконечного каскада усиления входное сопротивление определяется в соответствии со схемой, показанной на рис.2.7. В этом случае эквивалентная расчетная схема будет иметь вид (рис.3.2), тогда входное сопротивление будет

где R _{вх VT} – входное сопротивление транзистора.

Рис.3.2

 

Поскольку при параллельном включении все транзисторы одного плеча имеют одинаковые входные сопротивления, а в эмиттерные цепи включаются одинаковые уравнительные резисторы, то

где N – число параллельно включенных транзисторов.

Пример. Допустим, что мощный каскад рассчитан, как это сделано в предыдущих примерах. При этом полагаем, что I _{н max} = 2,4 А; R _н = 3,5 Ом; R _э = 2,0 Ом; R _б = 874 Ом. В параллель включены два транзистора КТ816А (КТ817А), входное сопротивление которых R _{вх VT} = 5 Ом. Тогда ток нагрузки каскада предварительного усиления будет

а входное сопротивление

Максимальное значение мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора, будет

Значение U _{кэ max доп.} ≥ 21 В получено в предыдущих расчетах. Тогда, исходя из условий (2.6), выбираем комплиментарную пару транзисторов, например, КТ502Б и КТ503Б, параметры которых приведены в табл.3.1