13.5.2. Расчет усилительного каскада с общим коллектором

Принципиальная схема каскада представлена на рис. 13.14. Исходными данными для расчета являются RН (входное сопротивление КПУ, для управления которым рассчитывается данный каскад) и UВЫХm = UHm (амплитудное значение напряжения, требуемого для управления следующим КПУ). Каскад с ОК используется в качестве входного каскада усилителя.

Выходным током транзистора в схеме является ток эмиттера  Так как h21Э >> 1, IЭ » IК, выходным током транзистора можно считать IК, что позволяет использовать для расчета каскада ВАХ и систему Н-параметров транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Расчет схемы производится в следующей последовательности.

1. Выбирается сопротивление RЭ из следующих соображений. Коэффициент KI каскада прямо пропорционален RH» = RЭ || RН. Основным требованием к входному каскаду (ВхК) по схеме с ОК является обеспечение высокого входного сопротивления при большой величине коэффициента усиления КI, с этой точки зрения RЭ необходимо выбирать много больше RH. С другой стороны, от величины RЭ зависит требуемое ЕК каскада. Уравнение выходной цепи каскада по постоянному току имеет вид:

Из выражения (13.10) видно, что увеличение RЭ ведет к увеличению требуемого ЕК, поэтому RЭ выбирается из условия:

.

Возможен случай, когда каскад нагружен на каскад с ОИ, входное сопротивление которого, как правило, выше 1 МОм. В этом случае RЭ задают как можно большим при сохранении условия, что напряжение питания рассчитываемого каскада меньше или равно напряжению питания следующего по схеме каскада.

2. Определяется амплитуда переменной составляющей тока эмиттера

3. Задаются координаты точки покоя выходной цепи транзистора. Они должны удовлетворять условиям:

Для определения UКЭП принимают DUКЭ = 1 ÷ 2 В; IКП определяют из условия      IКП = (1,1 ÷ 1,2)IЭm. Для транзисторов малой мощности, применяемых в КПУ, рекомендуется задавать IКП не менее 1 мА, чтобы точка покоя базовой цепи не располагалась на нелинейном участке входной ВАХ. Если расчетное значение IКП не удовлетворяет последнему условию, принимают IКП = 1 мА.             

4. Определяется ЕК каскада по формуле (13.10), в которую вместо IЭП  подставляется IКП  » IЭП.      

5. Выбирается транзистор из условий:   UКЭДОП > ЕК;  IКДОП > IКП + IЭm;            РКДОП > UКЭП×IКП;     fh21Э > (3  ¸ 5)fВ.

6. Определяется ток  В справочной литературе приводится, как правило, диапазон изменения параметра h21Э транзистора. При расчете КПУ берется среднее значение h21Э. Для IбП по входной ВАХ, соответствующей UКЭ = UКЭП, определяется напряжение UбЭП. Точка покоя входной цепи транзистора должна располагаться на линейном участке ВАХ, в противном случае нужно увеличить IКП  и повторить расчет. При этом параметры выбранного транзистора могут перестать отвечать условиям п. 5, в этом случае необходимо выбрать транзистор другого типа.

7. Задается ток делителя IД = (2 ÷ 5)IбП, рассчитываются сопротивления входного делителя R1 и R2 по формулам

8. Производится расчет каскада по переменному току. Схема замещения каскада по переменному току в области средних частот  представлена на рис. 13.15. В схеме не учтено наличие в транзисторе внутренней обратной связи (описываемой параметром h12Э транзистора), т.к. напряжение ОС, действующее на входе каскада UОС = h12Э ×UH, намного меньше UВХ. Сопротивления входного делителя R1 и R2 предс
тавлены в схеме замещения сопротивлением RД = R1  || R2.

По схеме замещения определяются параметры каскада по переменному току:

(сопротивление относительно выходных зажимов при отключенном RH);

Сопротивление входной цепи транзистора RВХ.ТР определяется по формуле

Для правильно рассчитанного каскада величина КI должна составлять                 (0,7 ¸ 0,85)h21Э, КU должен быть близок к единице и может составлять (0,9 ÷ 0,99).

9. Определяется необходимое для  управления  каскадом  амплитудное  значение входного  напряжения    и  амплитудное значение  напряжения     UбЭm = UBXm – UHm.

Величина UBXm должна быть меньше ЭДС генератора еГ, указанной в техническом задании. В противном случае необходимо выбрать транзистор с большим значением параметра h21Э и повторить расчет, начиная с п. 5. 

Весь размах UбЭm должен укладываться на линейном участке входной ВАХ, иначе сигнал будет усилен с большими нелинейными искажениями. Искажения могут возникнуть, если при изменении UбЭ от UбЭП до UбЭmin = UбЭП – UбЭm. Рабочая точка входной цепи транзистора выходит за границу линейного участка входной ВАХ. На входной ВАХ находят точку, соответствующую UбЭmin, если точка располагается на нелинейном участке входной ВAX, необходимо увеличить IКП и повторить расчет, начиная с п. 4.

Если условие усиления сигнала без искажений выполняется, определяют необходимую для управления каскадом ЭДС генератора по формуле

и сравнивают ее величину с величиной еГ, указанной в техническом задании. Если еГ.УПР меньше еГ, последовательно с источником входного сигнала ставится ограничивающее сопротивление RОГР для предотвращения перехода усилителя в насыщение. Величина RОГР определяется по формуле

Если  еГ.УПР  больше еГ, необходимо увеличить RBX каскада, для этого необходимо выбрать транзистор с большим значением h21Э и повторить расчет, начиная с п. 5. Высокого RВХ при КU практически равном I и большом KI позволяет достичь построение каскада на составном транзисторе по схеме  Дарлингтона.