Выбор режима работы транзистора

На рис. 6.1 приведена схема каскада с ОЭ, в котором использована цепь эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора. Применена емкостная связь с источником сигнала и нагрузкой через разделительные конденсаторы С 1 и С 2. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току резистор R _Э зашунтирован блокировочным конденсатором С _Э. Таким образом, по переменной составляющей эмиттер транзистора заземлен.

Сопротивления выходной цепи постоянному и переменному току определяются соотношениями:

Резисторы базового делителя уменьшают входное сопротивление каскада до значения

где (6.1)

В рабочем диапазоне частот коэффициент усиления каскада по напряжению определяется выражением (4.9):

Введение резистора R _Э при отсутствии конденсатора С _Э изменяет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного сигнала. Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе R _Э падение напряжения U _Э =R _Э i _Э, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору В каскаде действует последовательная отрицательная обратная связь по току. Входное сопротивление со стороны базы транзистора с величины возрастает до значения , т.к. последовательно с сопротивлением эмиттерного перехода включено внешнее сопротивление R _Э.

Коэффициент усиления по напряжению снижается до величины

(6.2)

Для устранения ООС по переменному току R _Э шунтируют конденсатором С _Э. На нижних частотах конденсатор С _Э вносит дополнительные искажения

(6.3)

где

Выбор положения рабочей точки транзистора прежде всего ограничен условиями (предполагается работа в режиме класса А):

I_min < I ₀ < I _Кдоп;

U_min< U ₀ < U _КЭдоп;

Р _К =U ₀ I ₀ < P _Кдоп,

где I _Кдоп, U _КЭдоп и Р _Кдоп – предельно допустимые для данного транзистора значения тока коллектора, коллекторного напряжения и мощности рассеяния на коллекторном переходе.

Графическое представление этих неравенств выделяет рабочую область на выходных характеристиках транзистора (рис. 6.2).

 

 

Рабочая точка должна лежать на нагрузочной прямой постоянного тока, которая проводится через точку U _КЭ = Е на оси абсцисс и точку I _К = Е/R₌ на оси ординат.

Только по этой прямой может изменяться положение рабочей точки А при изменении температуры или смене транзистора. Положение рабочей точки должно обеспечить получение на нагрузке без ограничений требуемых амплитуд напряжения и тока. Амплитуда переменной составляющей сигнала на нагрузке определяется по нагрузочной прямой переменного тока, которая проводится через рабочую точку в соответствии с сопротивлением выходной цепи переменному току, т.е. пересекает ось абсцисс при U _КЭ = U ₀ +I ₀ R_~.

Очевидно, что требуемая амплитуда выходного сигнала U _вых должна обеспечиваться без искажений и при наивысшей температуре окружающей среды, когда рабочая точка переместится в положение А', характеризуемое смещением координат Δ I _К и Δ U _КЭ относительно исходного положения А при наименьшей температуре окружающей среды.

Непосредственно из построений, приведенных на рис. 6.2, следуют соотношения для выбора рабочей точки в режиме большого сигнала:

(6.4)

(6.5)

Значениями U_min и I_min обычно задаются до начала расчета (например, U_min = 0, 5 В для германиевых и U_min = 1 В для кремниевых транзисторов, а I_min = (0, 5 – 1) мА. Задаются также допустимым смещением рабочей точки Δ U _КЭ и допустимым падением напряжения на эмиттерном сопротивлении U _Э= (0, 1 – 0, 2) Е.

Уравнение нагрузочной прямой постоянного тока

Е=U _Э +U ₀ +I ₀ R _К.(6.6)

Подставляя в уравнение (6.6) значение тока I ₀ из (6.5), получим расчетное выражение для определения сопротивления резистора R _К:

_. (6.7)

Таким образом, расчет координат рабочей точки А, обеспечивающей получение двухполярного выходного сигнала амплитудой U _вых при допустимой величине температурного смещения Δ U _КЭ можно провести в следующей последовательности:

1) определяют U ₀ по уравнению (6.4);

2) определяют R _Кпо уравнению (6.7);

3) определяют I ₀ по уравнению (6.5).

Оценим коэффициент полезного действия рассматриваемого усилительного каскада для синусоидального сигнала на нагрузке амплитудой U _вых:

где

КПД каскада оказывается очень низким (несколько процентов). Наибольшее значение 8, 7% он имеет при R _Э = 0 и . При этом Е= 3, 4 U _выхи I ₀ = 1, 7 I _Н.