7.3. Пример расчета повторителя на биполярных транзисторах

Задано: амплитуда входного сигнала U_вхm=0,1В, сопротивление нагрузки R_н=0,5кОм. Требуется обеспечить величину входного сопротивления не менее 300 кОм до частоты f_в =100 кГц при входной емкости не более 10 пФ.

При расчете входных повторителей основное внимание уделяется лишь обеспечению заданного входного сопротивления, не преследуя при этом цели получения максимального коэффициента передачи и минимального выходного сопротивления.

Поскольку с увеличением частоты коэффициент усиления по току транзистора практически линейно уменьшается, то предельная частота усиления транзистора по току должна выбираться таким образом, чтобы уменьшение на верхней частоте рабочего диапазона было незначительным. Исходя из сказанного рекомендуется выбирать f_т по следующему соотношению: . Для =100 кГц для транзистора с=100, =50 мГц.

Входная емкость повторителя без нейтрализации сопротивления коллекторного перехода определяется зарядной емкостью коллекторного перехода. Таким образом, в качестве входного следует выбирать транзистор с емкостью С_к , не превышающей заданную.

Так как величина входного, а следовательно, и выходного сигнала невелика, то режим по постоянному току выходного транзистора выбирается исходя из условий обеспечения максимальных усилительных и частотных свойств. Для маломощных транзисторов этим условиям соответствуют напряжения на переходе коллектор-эмиттер в пределах (3-5)В, I_n =(3-5)мА. Выбираем схему по рис. 13. Задаемся =5В, =3мА, При этом мощность, рассеиваемая на коллекторе V2 равна

Выбираем транзистор V2 исходя из частотных свойств и рассеиваемой мощности. Наиболее близкий по требуемым параметрам является транзистор П416А, имеющий следующие параметры:

=60 мГц, =125, <8 пФ. =12 В, =100*10^-3 Вт. Этот же транзистор можно выбирать и в качестве V1 . Поскольку напряжение питания не должно превышать 12 В , то выбираем = 12В. Тогда на резисторе падение напряжения будет равно: . При этом

Выбираем R_э=2,2 кОм. Определяем ток базы

Поскольку зависимость от тока в справочнике отсутствует, то для V1 принимаем = 10. Тогда ток базы V1 будет равен

Выбираем ток базового делителя из условий: . Принимаем 0,1 мА. Если выбрать R₀=5кОм, то падение напряжен на нем U₀ при протекании I_б1 составит 0,5 В. Падение напряжения на R₂ равно

Отсюда получаем

Выбираем R₂ =82 кОм. Определяем величину R₁ :

Выбираем R₁ =39 кОм. Определяем величину R_э~ :

Определяем величину входного сопротивления повторителя

что соответствует заданию. Входная емкость определяется коллекторной емкостью vi , которая равна 8 пФ, что не превышает заданной. Емкость конденсатора С выбирается из условия .

Емкость разделительных конденсаторов определяется по известным формулам, исходя из частотных искажении в области нижних частот, заданных на повторитель. Коэффициент передачи повторителя можно считать примерно равным 0,9, а выходное сопротивление подсчитывается по формуле .

В случае больших значений входного напряжения, режим транзистора V₂ выбирается, исходя из условия обеспечения заданной амплитуды выходного напряжения и необходимой величины тока нагрузки.

Если ставится задача получения входного сопротивления выше 1 мОм при входной емкости менее (3-5) пФ, целесообразно применить схему на полевом транзисторе с нейтрализацией проходной емкости затвор-сток (рис.15). В этой схеме резистор R_см задает ток полевого транзистора I_п , больший тока базы V₂ Для получения большего значения крутизны V₁

Делитель R₁,R₂ обеспечивает необходимую величину снесения на затворе V₁ , и может выбираться с любым значением . Входное сопротивление всего повторителя будет в этом случае определяться суммой

Поскольку входные токи полевых транзисторов малы, то резистор R₂ гложет выбираться в пределах до 3 мОм для полевых транзисторов с р-п-р переходом и в принципе неограниченной величины для транзисторов с изолированным затвором.

Если по каким-либо причинам применение транзисторов с изолированным затвором целесообразно, а требуемое входное сопротивление больше 3 мОм, можно ввести нейтрализацию резистора R₃ путем включения конденсатора . При этом входное сопротивление можно определить по формуле

где - коэффициент передачи повторителя.

,

где - крутизна полевого транзистора,

- усиление по току V₂

- сопротивление эмиттерного перехода,

- эквивалентное сопротивление переменному току в цепи эмиттера V₂.

Нейтрализация проходной емкости осуществляется путем подачи выходного напряжения повторителя на сток полевого транзистора через конденсатор С₀ . При этом потенциал стока будет равен U₂ в результате нулю разность потенциалов на емкости С_зс становится равной U₁ - U₂ , то время как без компенсации было U₁ . Уменьшение разности потенциалов приводит к уменьшению тока через емкость и эквивалентному уменьшению самой емкости. Входная емкость повторителя с компенсацией может быть подсчитана по формуле

Для случая, когда применена только нейтрализация проходной емкости, R_э~ равно: . Поскольку при введении схемы нейтрализации R_з имеем . Поскольку величина для полевого транзистора может быть выбрана достаточно большой, так что, если то