Методичка. Методические указания к курсовому проектированию для студентов iiiiv курсов рэф
 Скачать 1.13 Mb.
|
|
Окончание табл. 6
Таблица 7
Таблица 8    Окончание табл. 8   * тип транзистора: N – n-p-n, P – p-n-p. * * значения g-параметров транзисторов измерены при IК = 0.5, IК max и UКЭ = 0.5 UКЭ max.Таблица 9   * тип транзистора: 1 – с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа; 2 – с управляющим p–n-переходом и каналом p-типа; 3 – с изолированным затвором и каналом n-типа; 4 – с изолированным затвором и каналом p-типа.  7. Особенности выбора режима работы транзисторов при усилении однополярных импульсов Выбор режима работы транзистора в усилительном каскаде зависит от множества факторов, в частности, от вида и величины усиливаемого сигнала, характера нагрузки, требований к коэффициенту полезного действия усилителя, требований к допустимым искажениям сигнала и т.д. В усилителях однополярных импульсных сигналов определяющим фактором при выборе режима работы транзистора, как правило, становится обеспечение заданной амплитуды импульса напряжения на нагрузке при малом времени установления и приемлемых энергетических показателях каскада.  Рис. 7.1. Выбор положения рабочей точки транзистора в выходном каскаде импульсного усилителя Определение режима работы транзистора сводится к определению координат отрезка нагрузочной прямой для переменного тока на выходных статических ВАХ транзистора, по которому перемещается его рабочая точка в процессе усиления сигнала (рис. 7.1). Обычно наибольшие трудности при выборе режима возникают в выходном каскаде усилителя, так как он работает с большими амплитудами импульсов тока и напряжения. При усилении однополярного импульсного сигнала большой амплитуды транзистор может находиться в одном из двух состояний (рис. 7.1): точка A – транзистор закрыт и точка B – транзистор открыт. Поскольку необходимо обеспечить малое время установления каскада, точки A и B не должны располагаться в областях насыщения и отсечки. В большинстве случаев мощность, рассеиваемая транзистором в точке A, оказывается меньше мощности, рассеиваемой в точке B. Поэтому при усилении импульсных сигналов с большой скважностью (длительность импульса значительно меньше паузы) целесообразно, чтобы в паузе между импульсами транзистор находился в закрытом состоянии (точка A). При этом каскад, выполненный по схеме с ОЭ на транзисторе структуры n-p-n, обеспечивает отрицательную полярность импульса напряжения на нагрузке. Для получения импульсов положительной полярности можно использовать транзистор структуры p-n-p, для которого напряжение uКЭ будет отрицательным, однако при этом для питания усилителя может потребоваться дополнительный источник отрицательного напряжения. Определение рабочего отрезка нагрузочной прямой начинают с определения координат точки A, которую часто называют рабочей точкой. Ток коллектора в рабочей точке (  ) должен удовлетворять условию .Нижняя граница определяется областью отсечки транзистора, а верхняя – энергетикой каскада. Кроме того, с позиции обеспечения стабильности режима работы транзистора его ток покоя не должен быть меньше 1...5 мА, что актуально для маломощных каскадов предварительного усиления. Если в справочнике указан диапазон разброса параметра  , то его значение определяется как среднее геометрическое  .Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке  можно рассчитать так: ,где  – минимальное напряжение на транзисторе, при котором он гарантированно не входит в область насыщения;  – требуемая амплитуда импульса напряжения на нагрузке. Напряжение определяется по выходным статическим ВАХ транзистора (рис. 7.1).При определении координат рабочей точки необходимо стремиться к минимизации мощности  рассеиваемой транзистором в этой точке. Как правило, в импульсном усилителе мощность, рассеиваемая транзистором в рабочей точке, не должна превышать десятых долей ватта, и лишь для мощных каскадов, развивающих высокое напряжение на низкоомной нагрузке, она может достигать единиц ватта. Если указанные условия не выполняются, то необходимо пересмотреть выбор тока покоя транзистора. Зная координаты рабочей точки (А), величину импульса тока коллектора  и величину импульса напряжения на нагрузке , нетрудно построить рабочий отрезок нагрузочной прямой AB (рис. 7.1).После определения рабочего отрезка нагрузочной прямой необходимо убедиться, что на всем его протяжении мгновенная мощность  , рассеиваемая транзистором, не превышает максимально допустимой  , т.е. нагрузочная прямая AB на выходных ВАХ транзистора должна лежать ниже гиперболы, соответствующей мощности (рис. 7.1). Если условия по рассеиваемой мощности выполняются, то необходимо проверить тепловой режим транзистора. Для этого определяют максимальную температуру перехода транзистора: ,где  – максимальная температура окружающей среды;  – средняя мощность, рассеиваемая транзистором;  – тепловое сопротивление переход–корпус;  – тепловое сопротивление корпус–среда. Величины тепловых сопротивлений обычно приводятся в справочных данных на транзисторы, а среднюю мощность при усилении импульсного сигнала можно рассчитать: ,где  – скважность импульсов. Полученное значение максимальной температуры перехода не должно превышать максимально допустимой для выбранного транзистора ( ). Для большинства кремниевых транзисторов температура перехода не должна превышать 125 С. Следует избегать эксплуатации транзистора при температурах, близких к предельным, так как это ведет к ускоренной деградации его параметров. Если расчетная температура кристалла транзистора превысила допустимую, то имеется два пути ее снижения: уменьшить мощность, рассеиваемую транзистором, понизив значения  , или использовать радиатор для уменьшения теплового сопротивления корпус–среда. На тепловой схеме тепловое сопротивление радиатора  включается параллельно тепловому сопротивлению корпус-среда, тогда суммарное тепловое сопротивление переход–среда  транзистора с радиатором рассчитывается как: .При выборе величины теплового сопротивления радиатора необходимо учесть, что радиатор без принудительного охлаждения будет иметь приемлемые массу и габариты при тепловом сопротивлении не менее 50 % от теплового сопротивления переход–корпус охлаждаемого прибора. Если тепловой режим транзистора не обеспечивается даже при минимальном тепловом сопротивлении радиатора, то необходимо пересмотреть выбор режима работы транзистора или использовать транзистор, способный рассеивать большую мощность. Критерии выбора режима работы биполярных транзисторов в каскадах предварительного усиления принципиально не отличаются от рассмотренных выше критериев для выходного каскада. Из особенностей можно отметить, что с целью облегчения конструктивной реализации и настройки усилителя разработчики стремятся выбрать одинаковые режимы работы транзисторов во всех каскадах предварительного усиления. При этом важно помнить, что каскад на транзисторе с ОЭ инвертирует входной сигнал и полярности импульсов на выходах каскадов чередуются. Поэтому положение рабочей точки транзистора в предварительных каскадах должно быть выбрано так, чтобы транзистор мог работать и на запирание и на открывание. Формально это означает, что ток покоя транзистора не может быть меньше  , где – максимальный импульс тока среди всех предварительных каскадов. Задача задания одинакового режима работы транзисторов во всех предварительных каскадах осложняется тем, что входное сопротивление и емкость текущего каскада являются нагрузкой для предыдущего каскада, определить точные параметры которой до полного расчета текущего каскада невозможно. Однако при правильном выборе режима работы выходного каскада и правильном распределении усиления по каскадам усилителя сопротивление нагрузки каскадов увеличивается, а емкость нагрузки уменьшается, по мере удаления от входного каскада. Таким образом, среди каскадов предварительного усиления в наиболее жестких условиях работает последний предварительный каскад, нагрузкой которого является выходной каскад. Для этого каскада импульсы тока и напряжения имеют наибольшие значения и по ним можно выбрать режим, подходящий для всех предварительных каскадов.режимы работы полевых транзисторов в усилительных каскадах выбираются по тем же принципам, что и биполярных. При этом в расчетах вместо тока коллектора фигурирует ток стока, а вместо напряжения коллектор–эмиттер используют напряжение сток–исток. При использовании полевых транзисторов следует обратить особое внимание на выбор полярности напряжения питания каскада в зависимости от типа и характера проводимости канала транзистора. Тип проводимости канала полевого транзистора, так же как и структура биполярного транзистора, определяет полярность импульсов напряжения на нагрузке. 8. Расчет элементов задания и стабилизации режима работы транзисторов Для задания и стабилизации режима работы транзистора в усилительном каскаде, выполненном по схеме с ОЭ, чаще всего используется схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора. При этом режим работы транзистора определяется четырьмя элементами (рис. 8.1): коллекторной нагрузкой  , сопротивлением резистора обратной связи по току  и резисторами делителя напряжения в цепи базы  ,  . Рис. 8.1. Схема эмиттерной стабилизации режима работы транзистора Стабилизация положения рабочей точки транзистора в схеме рис. 8.1 достигается благодаря глубокой отрицательной обратной связи по току, создаваемой резистором . Напряжение на базе транзистора  равно разности между напряжением  , задаваемым базовым делителем, и падением напряжения  на резисторе в цепи эмиттера. Падение напряжения на резисторе пропорционально току эмиттера транзистора  , который складывается из тока коллектора  и тока базы  . Поскольку ток базы транзистора в  раз меньше тока коллектора, им можно пренебречь и считать, что ток эмиттера равен току коллектора. Таким образом, напряжение база–эмиттер можно определить как . (8.1)Из (8.1) видно, что в схеме рис. 8.1 увеличение тока коллектора ведет к уменьшению напряжения на базе транзистора, т.е. к призакрыванию транзистора и, следовательно, к уменьшению тока коллектора. В случае уменьшения тока коллектора, наоборот, напряжение на базе транзистора увеличивается, компенсируя уменьшение тока. Таким образом, введение сопротивления в цепь эмиттера стабилизирует ток коллектора транзистора. Причем стабилизация тем эффективнее, чем больше величина сопротивления . Однако увеличение сопротивления в цепи эмиттера ведет к росту падения напряжения на нем, вызываемого током покоя транзистора. Это повышает мощность, рассеиваемую , и требует увеличения напряжения питания каскада. Обычно компромисс между стабильностью режима и энергетикой каскада достигается, когда на падает 10...15 % от напряжения питания. Эмиттерная стабилизация рабочей точки оказывается эффективной по отношению к таким дестабилизирующим факторам как изменение температуры кристалла транзистора, разброс параметров транзистора, колебания напряжения питания каскада. Чтобы рассмотренная отрицательная обратная связь не снижала коэффициент передачи каскада на частотах усиливаемого сигнала сопротивление шунтируют конденсатором большой емкости.Расчет элементов задания и стабилизации режима работы транзистора начинается с определения величины коллекторной нагрузки . Величина определяется из полного сопротивления нагрузки каскада по переменному току  , которое представляет собой параллельное соединение с активной составляющей нагрузки каскада  : . (8.2)Полное сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется наклоном нагрузочной прямой на выходных ВАХ транзистора (см. рис. 7.1) и может быть рассчитано как  . (8.3)Определив величину из (8.2), нетрудно рассчитать сопротивление коллекторной нагрузки . Очевидно, что при чисто емкостной нагрузке  .Далее необходимо определить напряжение питания каскада, которое складывается из падения напряжения на коллекторной нагрузке , падения напряжения на сопротивлении обратной связи и напряжения коллектор–эмиттер в рабочей точке: , (8.4)где  – коэффициент, определяющий величину падения напряжения на сопротивлении обратной связи . Бо;´льшие значения  увеличивают стабильность режима транзистора, но также увеличивают напряжение питания каскада и мощность, рассеиваемую резистором . Полученное по формуле (8.4) значение напряжения питания необходимо округлить до одного из стандартных значений (табл. 10).Таблица 10
Зная напряжение питания каскада, нетрудно рассчитать величину сопротивления : .Для расчета сопротивлений базового делителя  и  необходимо задаться током делителя  . Чем больше ток делителя, тем выше стабильность режима работы транзистора, но тем больше мощность, рассеиваемая резисторами , , и тем меньше входное сопротивление каскада. Для получения приемлемой стабильности режима ток делителя должен как минимум в несколько раз превосходить ток базы в рабочей точке. Обычно величина тока базового делителя должна удовлетворять условию: .Ток базы в рабочей точке  можно найти по семейству выходных статических ВАХ транзистора (см. рис. 7.1). Используя семейство входных статических ВАХ транзистора, по известному току и напряжению  находят напряжение база–эмиттер в рабочей точке  (рис. 8.2). Рис. 8.2. Определение положения рабочей точки на входных статических ВАХ транзистора При наличии в справочнике нескольких входных статических ВАХ, соответствующих разным значениям напряжения  , следует выбирать характеристику, для которой близко к .По известному току делителя и напряжению база–эмиттер в рабочей точке не составляет труда найти сопротивления резисторов делителя, обеспечивающих это напряжение:  ,  .По рассчитанным параметрам элементов стабилизации режима работы транзистора следует рассчитать величину относительной нестабильности тока коллектора:  ,где  – абсолютное изменение тока коллектора при изменении температуры кристалла транзистора;  – абсолютное изменение напряжения база–эмиттер при изменении температуры перехода на величину  ;  – абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры;  ,  – коэффициенты, учитывающие работу схемы эмиттерной стабилизации тока коллектора транзистора;  – общее сопротивление в цепи базы;  и  – g-параметры транзистора в рабочей точке при комнатной температуре. Порядок расчета максимальной температуры перехода  приведен в разделе 7. Минимальную температуру перехода можно определить как: .Величину определяют по зависимостям обратного тока коллектора  от температуры, которые приводятся в справочниках. Если для выбранного вами транзистора такая зависимость не приведена, то для определения можно использовать типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры, приведенные на рис. 8.2.На рис. 8.2 – обратный ток коллектора при температуре перехода  ;  – обратный ток коллектора при комнатной температуре (обычно указывается в справочнике); зависимость 1 соответствует кремниевым транзисторам малой мощности ( ); зависимость 2 соответствует кремниевым транзисторам средней мощности  . Рис. 8.2. Типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры Для каскадов импульсных усилителей относительная нестабильность тока коллектора транзистора  не должна превышать 0.25. Если полученное значение нестабильности превысило эту величину, то можно повысить эффективность схемы эмиттерной стабилизации увеличением тока делителя и/или сопротивления в цепи эмиттера . В некоторых случаях эти меры оказываются неэффективными или приводят к значительному ухудшению энергетических показателей каскада (рост напряжения питания и рассеиваемой мощности). Тогда можно попытаться применить радиатор для снижения температуры перехода или пересмотреть выбор режима работы транзистора. Не исключается также использование других схем стабилизации режима работы транзистора [1–6].9. Определение низкочастотных и высокочастотных параметров транзисторов Для расчета каскада импульсного усилителя на биполярном транзисторе необходимо знать четыре низкочастотных и три высокочастотных параметра транзистора. В данном разделе рассмотрены основные соотношения для расчета этих параметров. В качестве низкочастотных параметров транзистора используется система из четырех g-параметров, которые определяются следующим образом:  ,  ; ,   ,где – входная проводимость;  – проводимость обратной передачи; – проводимость прямой передачи (крутизна транзистора);  – выходная проводимость; – ток базы; – ток коллектора;  – напряжение коллектор–эмиттер; – напряжение база–эмиттер. Для g-параметров транзистора выполняется условие  . Поэтому малой величиной обратной проводимости обычно пренебрегают и принимают  .Входную и выходную проводимости транзистора ( и ) в заданной точке удобно определять по входным и выходным статическим вольт-амперным характеристикам (ВАХ) транзистора, взяв отношение соответствующих приращений токов и напряжений (рис. 9.1). Статические ВАХ транзистора можно найти в справочниках [11, 12] или рассчитать по его математической модели с помощью программы Micro Cap. Методика расчета ВАХ транзисторов, а также их g-параметров с использованием программы Micro Cap подробно изложена в [10].Крутизну транзистора (параметр ) можно приближенно определить по формуле .Для определения g-параметров транзистора в заданной точке можно также воспользоваться справочными (см. табл. 8) значениями g-параметров, пересчитав их к нужному положению рабочей точки транзистора. В первом приближении g-параметры транзистора линейно зависят от величины коллекторного тока. Поэтому для пересчета их значений можно воспользоваться следующими формулами:  ,  ,  ,где  ,  и  – справочные значения g-параметров, измеренные при токе коллектора, равном  ; , и – значения g-параметров для тока  . Следует помнить, что для мощных транзисторов линейное приближение зависимости параметра от тока коллектора, как правило, не работает. Поэтому для определения крутизны мощного транзистора следует использовать справочные зависимости параметра от тока коллектора или воспользоваться методикой расчета, приведенной в [10]. Рис. 9.1. Определение входной и выходной проводимости транзистора в окрестности точки A с координатами IБ0, UБ0, IК0, UК0 В качестве высокочастотных параметров транзистора при расчете каскадов импульсного усилителя используются три параметра: емкость коллекторного перехода  , объемное сопротивление базы  и постоянная времени транзистора  .Объемное сопротивление базы обычно приводится в справочниках. Его величина практически не зависит от режима работы транзистора и поэтому не нуждается в каких-либо пересчетах.Величина коллекторной емкости также приводится в справочниках, однако она существенно зависит от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. Для пересчета емкости коллекторного перехода к нужному значению напряжения на коллекторе можно воспользоваться следующей формулой:  ,где  – справочное значение емкости, измеренное при напряжении  ; – значение емкости коллекторного перехода при напряжении на коллекторе, равном  .Часто в справочниках на транзисторы в качестве высокочастотного параметра приводится постоянная времени цепи обратной связи, равная произведению объемного сопротивления базы и емкости коллекторного перехода:  .Их этого соотношения можно найти величину . Однако если  и  измерены при разных значениях коллекторного напряжения, то предварительно емкость нужно пересчитать на то напряжение, при котором измерялась .Постоянную времени транзистора ( ) для заданного положения рабочей точки можно рассчитать по следующей формуле: ,где – крутизна транзистора для заданного положения рабочей точки; – объемное сопротивление базы;  – граничная частота транзистора;  – параметр, зависящий от типа и технологии производства транзистора.Если в справочнике вместо граничной частоты приведено значение модуля коэффициента передачи тока базы  на высокой частоте  , то величину можно рассчитать по формуле .В отличие от биполярного транзистора положение рабочей точки полевого транзистора определяется только тремя координатами: постоянный ток стока (  ), постоянное напряжение сток–исток ( ) и постоянное напряжение затвор–исток ( ). Ток утечки затвора определяет четвертую координату – постоянный ток затвора. В силу малой величины этот ток не оказывает существенного влияния на режим работы транзистора. Поэтому для расчета усилительного каскада на полевом транзисторе используются только один низкочастотный и три высокочастотных параметра. Низкочастотным параметром является крутизна транзистора: ,где  – крутизна транзистора;  – ток стока;  – напряжение затвор–исток;  – напряжение сток–исток.Величину крутизны транзистора в окрестности рабочей точки нетрудно определить по проходным статическим ВАХ, взяв отношение соответствующих приращений токов и напряжений (рис. 9.2). Проходные ВАХ полевых транзисторов берутся из справочников или рассчитываются по методике из [10].  Рис. 9.2. Определение крутизны полевого транзистора в окрестности рабочей точки с координатами UЗИ0, UСИ0, IС0 В качестве высокочастотных параметров полевого транзистора в расчетах используются три емкости (рис. 9.3): емкость затвор–исток  (входная емкость), емкость затвор-сток  (емкость обратной связи) и емкость сток–исток  (выходная емкость).В  Рис. 9.3. Паразитные емкости полевого транзистораеличины этих емкостей обычно приводятся в справочниках и могут быть непосредственно использованы при расчетах. Для маломощных полевых транзисторов величины этих емкостей слабо зависят от положения рабочей точки транзистора и поэтому не требуют какого-либо пересчета. Часто в отечественных справочниках вместо емкостей , и приводятся емкости  ,  ,  .10. Определение числа предварительных каскадов Как следует из разд. 4, число предварительных каскадов зависит от требуемого коэффициента усиления этих каскадов  , от допустимого времени установления  и параметров используемого усилительного элемента. Коэффициент усиления предварительных каскадов  , (10.1)а их время установления  , (10.2)где А =1.5...2 – запас по усилению, K = U2m/U1m, tу – общий коэффициент усиления и время установления всего усилителя, индексы «вх», «вых» означают принадлежность данного параметра соответственно к входной и выходной цепи усилителя. Коэффициент  и время  определены при расчетевыходного каскада, а коэффициентом  и временем  надозадаться, в зависимости от схемного решения этого каскада. А это решение, в свою очередь, зависит от требуемого от усилителя входного сопротивления (табл. 11). Если входной каскад – эмиттерный повторитель, то  , а  . Если же входной каскад выполнен на полевом транзисторе, то  , а  .Таблица 11
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||