Методические указания по выполнению расчета усилительного звена на биполярном транзисторе

1. При расчете сопротивлений резисторов в схеме рис. 1 вначале определяется сумма сопротивлений R_К и R_Э. Значение одного из этих сопротивлений надо задать, исходя из следующих соображений: R_К влияет на коэффициент усиления, а R_Э на температурную стабильность тока коллектора. После определения сопротивлений R_К и R_Э можно рассчитать сопротивление R_Б. Если задан расчет каскада ОК, то в схему рис. 1 можно не включать резистор R_К.

Рассчитанные значения сопротивлений необходимо округлить в соответствии с одним из стандартных рядов номиналов, которые приведены в табл. 2.

Пример использования табл.2.

Пусть в результате расчета сопротивления получили значение 73,5 кОм. При использовании ряда Е6, в качестве стандартного номинала мы можем взять только значение 68 кОм; при использовании ряда Е12 – значение 68 кОм или значение 82 кОм, при использовании ряда Е24 – значение 75 кОм или значение 82 кОм. Наиболее близким к рассчитанному значению сопротивления является номинал 75 кОм.

Данные табл. 2 используют и при округлении рассчитанных значений емкостей конденсаторов.

Таблица 2.

Индекс ряда	Числовые коэффициенты, умножаемые на любое число, кратное 10
Е6 E12 E24	1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1

2. При составлении принципиальной схемы усилительного звена и эквивалентной схемы для области средних и верхних частот рекомендуется использовать материал из учебного пособия [1], раздел 4.2 для каскада ОЭ, раздел 4.4 для каскада ОБ и раздел 4.5 для каскада ОК. На рис. 2 и рис. 3 приведены примеры составления таких схем.

Рис. 2. Усилительное звено со схемой включения ОЭ.

Рис. 3. Эквивалентная схема усилительного звена для области средних и верхних частот.

При переходе от рис. 2 к рис. 3 элементы R3, R_Н и C_Н объединены в проводимость нагрузки: Y_Н = 1/R3 + 1/R_Н + jC_Н. Проводимости Y_ВХ и Y_ВЫХ – соответственно, входная и выходная проводимости нагруженного транзистора.

3. При выполнении расчета коэффициента усиления, верхней граничной частоты для входной цепи, каскада и усилительного звена в целом использовать выражения для основных схем включения транзистора, приведенные в табл. 3. В состав выражений входят Y–параметры биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ:

(1)

где _S = 1/_S, _S  граничная частота по крутизне, частота, на которой модуль коэффициента усиления тока базы равен единице.

При выполнении расчетов рекомендуется использовать материал из учебного пособия [1], раздел 4.2, раздел 4.4 и раздел 4.5.

Таблица 3.

Схема включения транзистора	K(j)	YВХ(j)	YВЫХ(j)
ОЭ
ОБ
ОК

В табл. 3 обозначено: K₀ – коэффициент усиления каскада ОЭ на средних частотах; g_{Н ЭКВ} – действительная составляющая комплексной нагрузки каскада.

4. Коэффициент передачи усилительного звена (сквозной коэффициент передачи) K_СКВ на средних частотах рассчитывают как произведение коэффициента передачи каскада K₀ и входной цепи K_{0 ВЦ}.

При расчете результирующей верхней граничной частоты усилительного звена f_{В РЕЗУЛЬТ} используют значение результирующей постоянной времени:

где  постоянная времени каскада в области верхних частот,  постоянная времени входной цепи в области верхних частот. Значение верхней граничной частоты f_{В РЕЗУЛЬТ} определяют по выражению:

5. Последовательность расчета емкостей вспомогательных конденсаторов, обеспечивающих заданное значение нижней граничной частоты усилителя в целом, включает следующие этапы (см. также пособие [1], раздел 4.2, с. 51. . . 58):

 Вначале определяются все цепи, влияющие на спад АЧХ в области нижних частот. Для схемы усилительного звена, приведенной на рис. 2, это цепи, включающие в свой состав разделительные конденсаторы С1, С2 и блокировочный конденсатор С3.

 Распределение искажений по цепям. Требуется, чтобы совместное воздействие низкочастотных цепей обеспечило на нижней граничной частоте усилительного звена f_{Н РЕЗУЛЬТ} заданное значение нормированного коэффициента передачи m_Н (в задании на расчет f_{Н РЕЗУЛЬТ} = 1 кГц. Коэффициент m_Н равен произведению нормированных коэффициентов передачи низкочастотных цепей:

m_Н = m_{Н С1}· m_{Н С2}· m_{Н С3}.

Обычно устанавливают m_Н = 0,707. При равномерном распределении низкочастотных искажений между цепями получаем:

В ряде случаев целесообразно устанавливать различные значения нормированных коэффициентов передачи низкочастотных цепей.

 На следующем этапе рассчитывают требуемые значения постоянной времени отдельных цепей. Например, для цепи, куда входит конденсатор С1, расчетная формула имеет вид:

Для других цепей расчетные формулы аналогичны.

Используя найденные значения _{Н С1}, _{Н С2}, _{Н С3}, вычисляют емкости вспомогательных конденсаторов С1, С2, С3. Для этого используют выражения, связывающие _{Н С1}, _{Н С2}, _{Н С3} с емкостями и сопротивлениями, через которые эти емкости разряжаются.

Для схемы на рис. 2:

(2)

где g_ВХ  действительное значение входной проводимости, g_ВХ = g₁₁ = 1/r_r_ сопротивление рекомбинации.

(3)

где g_ВЫХ  действительное значение выходной проводимости, g_ВЫХ = g₂₂ = 1/r_КЭ r_КЭ  выходное дифференциальное сопротивление транзистора.

 (4)

где S  крутизна.

Значения сопротивлений и проводимостей в выражениях (2), (3) и (4) известны из предыдущих расчетов.

Приведенная выше методика расчета была ориентирована на усилительное звено ОЭ. Эту методику можно использовать при расчете усилительных звеньев со схемами включения ОБ и ОК, учитывая принципиальные схемы усилительных звеньев и параметры транзисторов со схемами включения ОБ и ОК.