Расчет транзисторного резисторного каскада

Расчет транзисторного резисторного каскада предварительного усиления начинают с выбора принципиальной схемы каскада, удо­влетворяющей предъявленным к каскаду требованиям, и выбора рода транзистора (биполярный или полевой), а также характера его проводимости (р-n-р или n-р-n, р-канал или n-канал). При этом решают вопрос о выборе схемы стабилизации рабочей точки, о необходимости введения в каскад развязывающего фильтра R_фС_ф и т. д. Если используется биполярный транзистор, то выби­рают материал полупроводника (германий или кремний). Германиевые транзисторы не следует применять в новых разработках, а также при большом диапазоне изменения температуры (Т_mах—T_min>50^cC). В новых разработках рекомендуется ис­пользовать только кремниевые транзисторы. Для того чтобы кас­кад не вносил больших частотных искажений на верхней рабочей частоте f_B, предельная частота усиления тока f_T, используемого в каскаде транзистора, а также транзистора следующего каскада должна быть не ниже (1—3)f_вh_21эср, а для каскада усиления им­пульсных сигналов — не ниже (0,1—0,3) h_21эср/t_y

Полевые транзисторы используют при необходимости получе­ния очень высокого входного сопротивления каскада (выше де­сятков килоом) или для обеспечения наименьшего уровня собст­венных шумов каскада. Однако не следует забывать, что вслед­ствие малой крутизны характеристики полевой транзистор дает хорошее усиление только при работе на следующий каскад с до­статочно большим входным сопротивлением (не ниже несколь­ких килоом).

В каскадах предварительного усиления звуковых частот при­меняют маломощные низкочастотные транзисторы, в широкопо­лосных каскадах — маломощные высокочастотные. Ток покоя коллектора (стока) I₀ выбирают достаточным для обеспечения расчетной амплитуды входного тока сигнала следующего каскада с небольшим запасом, гарантирующим малые нелинейные иска­жения:

, (2.4.30)

где I_~m — амплитуда переменной составляющей выходного тока, равная сумме переменных составляющих тока всех цепей, нагру­жающих транзистор. Найденное значение I₀ не должно превы­шать допустимого для транзистора; однако ток покоя не следует брать ниже (0,7-1)мА для низкочастотных транзисторов и (2—3) мА для высокочастотных, так как при меньших токах ухудша­ются усилительные свойства транзисторов и не гарантируются указанные в справочнике параметры. Для получения от каскада максимального усиления сопро­тивление резистора R в выходной цепи транзистора (рис. 2.4.7) берут возможно большим, но допустимым по падению на нем на­пряжения питания, а также допустимым по частотным искажени­ям на верхней рабочей частоте или по времени установления каскада.

Рис. 2.4.7. К расчету резисторного каскада предварительного усиления: а — на биполярном транзисторе; б — на полевом транзисторе.

В транзисторных резисторных каскадах без высокочастот­ной коррекции сопротивления резисторов (рис. 2.4.7) обычно рас­считывают исходя из допустимого падения на них напряжения питания:

R_э или ;

, (2.4.31)

где Е — напряжение питания, подводимое к рассчитываемому кас­каду; I₀ — ток покоя выходной цепи транзистора; I_ф — постоян­ная составляющая тока, протекающая через резистор R_ф. Значе­ния коэффициентов при Е в формулах (2.4.31) для R и R_э (или R_и) желательно брать такими, чтобы сумма коэффициентов состави­ла 0,5—0,6; в этом случае напряжение покоя между выходными электродами транзистора U₀, равное разности Е и падения на­пряжения питания на R и R_э (или R_и), окажется равным (0,5— 0,4) Е. При этом уменьшается возможность выхода рабочей точки из линейного участка характеристики при изменении температу­ры или напряжения питания и старении или замене транзис­тора в каскаде. Коэффициент усиления по току К_т в этом случае обычно лежит в пределах (0,65—0,9)h_21э. Напряжение питания, подводимое к каскаду, не должно превышать допустимое для ис­пользуемого транзистора, чтобы исключить возможность его про­боя при сильных запирающих транзистор сигналах.

Максимально допустимое значение сопротивления резистора R при заданных частотных искажениях М_в на верхней рабочей частоте f_в или при заданном времени установления каскада t_y можно найти, решив нижнюю формулу (2.4.16) относительно R:

. (2.4.32)

Величина R_экв.в=R_экв.вmax определяется по формулам (2.4.17) или (2.4.28).

Напряжение смещения база — эмиттер U_0б, необходимое для получения выбранного тока покоя коллектора I_0к, находят по входной характеристике транзистора для I_0Б=I_0к/h_21эmin. В случае полево­го транзистора со схемой истокового смещения напряжение сме­щения находят по проходной характеристике для транзистора с наименьшим напряжением отсечки.

Коэффициенты усиления каскада определяют по формуле (2.4.7) или (2.4.9) и (2.4.10), расчетную амплитуду входного тока сиг­нала и амплитуду входного напряжения сигнала при биполярном транзисторе рассчитывают по следующим выражениям:

. (2.4.33)

Частотные искажения на нижних частотах в каскадах рис. 2.4.7 будут создаваться как конденсатором межкаскадной свя­зи С, так и конденсатором схемы стабилизации С_э или С_и; кон­денсатор фильтра С_ф в полосе рабочих частот обычно не вносит ис­кажений. Емкость конденсатора С рассчитывают по формуле (2.4.13) или (2.4.23) исходя из допустимых частотных искажений М_н.с, вносимых им на низшей рабочей частоте, или из Δ_т; при этом считают R_экв.н~R; R₀=R_вх.сл. Вследствие низкого входного сопротивления каскадов с биполярными транзисторами в них кон­денсаторы С можно применять электролитические, соблюдая пра­вильность полярности их включения; во входной цепи полевых транзисторов, разделительные конденсаторы С следует брать с высоким сопро­тивлением изоляции, имеющие бумажный, пластмассовый или слюдяной диэлектрик и хорошо защищенные от влаги; электро­литические конденсаторы здесь не пригодны из-за сравнительно большого и непостоянного тока утечки, который может очень силь­но изменить напряжение смещения на затворе или сетке.

В случае промежуточного каскада с биполярным транзистором это можно сделать лишь после расчета предыдуще­го каскада, так как для расчета С_э нужно знать сопротивление источника сигнала R_ист во входной цепи рассчитываемого каска­да. Полный коэффициент частотных искажений каскада М_н на низшей рабочей частоте можно считать равным произведению М_н.с и М_н.э, найденных по формулам (2.4.12) и (2.4.14); при полевом транзисторе М_н=М_н.сМ_н.и.

Вносимые каскадом частотные искажения М_в на высшей рабочей частоте определяются по формуле (2.4.15), а входящую в нее емкость С₀~С_б.э.сл – по формуле (2.4.14); при биполярном транзисторе искажения будут максимальны для транзистора с f_еmin и h_21эmax.