Розрахунок балансного каскаду підсилювача постійного струму

Проектування балансної схеми транзисторного підсилювача постійного струму (ППС) зводиться до розрахунку двох однакових каскадів, кожний з яких представляє собою однотактний підсилювач. Розглянемо можливий порядок розрахунку ППС, застосовуючи до схеми на рис.7.1.

Вихідні дані : напруга на вході в режимі спокою Uвх (зазвичай Uвх =0); максимальні зміни напруги вхідного сигналу ±Δ Uвх ;внутрішній опір джерела вхідного сигналу Rл ;вихідна потужність Рвих ;опір навантаження Rн ; напруга джерела живлення Eжив .

Рис.7.4. Визначення Y- параметрів транзисторів в сімействі вихідних (а) та вхідних (б) характеристик

В результаті розрахунку потрібно визначити режим роботи каскаду та дані елементи схеми.

Розрахунок проводимо у наступному порядку :

1. Вибираємо тип транзистора. Критерієм вибору для роботи у схемах ППС є мінімальне значення зворотного струму колектора ІКБО , а також виконання умови

UKEmax >Eжив

2. Знаходимо коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі

К= Δ Uвих/ Δ Uвх

де Δ Uвих = .

3. В сімействі вихідних характеристик вибраного транзистора (рис 7.4.а) вибираємо робочу точку Р. Для цього приймаємо в режимі спокою UKEр=(0,2……0,3) Eжив; ІКР=0,5 ІКmax;

де ІКmax – довідникове значення максимально допустимого колекторного струму для вибраного транзистора.

4. Перевіряємо правильність вибору робочої точки. Потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора у режимі спокою РКР, не повинна перевищувати максимально допустиму постійну розсіяну потужність Рmax вибрано транзистора

РКР= UKEр ІКР≤ Рmax.

5. В сімействі вихідних характеристик відмічаємо струм бази IБр, відповідній тій характеристиці, на якій розміщена робоча точка P (рис.7.4,а). Далі переносимо робочу точку в сімейство вхідних характеристик транзистора (точка P′ на рис.7.4,б). Ця точка повинна бути розташованою на кривій, яка відповідає колекторному напрузі UКЕр (а при відсутності такої кривої в сімействі характеристик – на тій із них, яка взята при UКЕ ≠0 ) і струмі IБр. Робочій точці P відповідає напруження UБЕр.

Одним із можливих методів розрахунку транзисторних ППС являється розрахунок за допомогою – параметрів транзисторів Y11, Y12, Y21, Y22 [8, 12, 23], кожен з яких має розмірність провідності. В довіднику Y - параметри транзисторів приводяться рідко. Тому що їх варто визначити графічним шляхом в сімействі вхідних і вихідних характеристик транзистора. При цьому потрібно враховувати відношення(для схеми зі спільним емітером)

Y11е =∆IБ/UБЕ при UКЕ =const;

Y12е=∆IБ/UБЕ при UКЕ =const; (7.6)

Y21е=∆Iк/UБЕ при UКЕ =const;

Y22е=∆Iк/UБЕ при UКЕ =const.

Для визначення Y11є використовується характеристичний трикутник АБВ (рис.7.4,б), побудований поблизу робочої точки P′ . З цього трикутника випливає

Y11е = =∆IБ/UБЕ = БВ/АБ при U″КЕ≠σ =const (7.7)

Параметр визначається також за вихідними характеристиками. Для цього при постійній напрузі UБЕp = const відповідні робочій точці P′, визначаємо приріст струму бази ∆IБ при зміні напруги на колекторі UКЄ . Зазвичай в довідниках приводяться лише дві вхідні характеристики, зняті при U′КЕ=0 та U″КЕ≠ 0 . Якщо цих двох характеристик достатньо для визначення Y12е, варто провести доповідну характеристику (на рис.7.4,б показана пунктиром), а напругу U″КЕ визначити як середнє значення між U′КЕ =0 та вказаній в довіднику величині U″КЕ≠ 0 . Таким чином,

Y12є =∆IБ/UКЕ= P′Г/│ UКЕ ″ - UКЕ ″ │ при UБЕр = const. (7.8)

Для визначення параметру Y21е використаємо спочатку вихідні характеристики (рис.7.4,а), на яких поблизу вибраної робочої точки P знаходимо приріст струму бази ∆IБ і відповідний йому приріст струму ∆IК при постійному значенні струму UКЕр

На рис.7.4,а бачимо, що при зміні струму бази від IБ3 до IБ4 струм колектора змінюється на ∆IК (точка М). Для визначення відповідного приросту напруги на базі звертаємось до вхідних характеристик (рис.7.4,б), і в області точки P′ для характеристики, знятій при UКЕ ″ ≠ 0 визначаємо який приріст напруги UБЕ відповідає приросту струму ∆IБ= ∆IБ4-∆IБ3 (попередньо знайденому в сімействі вихідних характеристик). Тоді

Y21е = =∆IК/UБЕ при U″КЕ≠ 0 = const. (7.9)

Параметр Y22е знаходимо аналогічно. Для цього за вхідними характеристиками визначаються взаємозв’язані прирости UКЕ і ∆IБ (при UБE= const), а потім на вихідних характеристиках знаходимо відповідні напрузі ∆UКЄ приросту струму ∆IK. Так, як для рис.7.4,б зміна напруги ∆ UКЕ =│ UКЕ ″ - UКЕ ″ │ - відповідає зміні струму бази, визначена відрізком P′Г

В сімействі вихідних характеристик (рис 7.4.а) відмічаємо точку К, відповідно U''KEр та ІБ5 та точку, яка відповідає напрузі U''KE та струму ІБр (у даному випадку точку Р). При переході від точки Р до точки К (Δ UКЕ = UКЕр - U''K) струм колектора змінюється від від Ікр до І'K (Δ ІK= І'K- Ікр). Відповідно Y22е= Δ ІK/ Δ UКЕ=( І'K- Ікр)/( UКЕр- U''KE) при UБЕ= UКЕр=const.

6. Після визначення Y- параметрів транзистора перевіряємо правильність вибору транзистора із умови

К< Y21е/( Y22е+2/Rн), де Rн= R4 (рис. 7.1)

Якщо умова не виконується, то необхідно вибрати другий транзистор та повторити всі попередні пункти розрахунку чи зменшити задане значення коефіцієнту підсилення К.

7. Знаходимо величину опорів резисторів, включених в колекторний ланцюг транзистора (R3= R7 на рис.7.1) за формулою

RК= R3= R7= К Rн / (Y21е Rн – К(Y22е Rн + 2)),

де Rн= R4 (рис. 7.1).

Потужність, яка розсіюється на резисторах R3= R7 , рівна

РRК=

Вибираємо стандартне значення опорів резисторів R3= R7 та їх тип(табл. 1.18,1.22).

8. Визначаємо струм, який проходить через резистор R6,

IR6 = 2 (IKp + IБp) (7.14)

9. Знаходимо величину опору резистору R6 за формулою

R6 = (Eжив – UКЕp – IKp RK ) / IR6 (7.15)

Потужність, розсіювана на резисторі R6 рівна

PR6 = I²R6 R6 (7.16)

Знаходимо стандартний тип резистора R6¹

10. Визначаємо опір змінного резистора за формулою

R5 = 0,05 R6 (7.17)

11. Знаходимо величини опору резисторів дільників напруги Rд1 = R1 = R8 і Rд2 = R2 = R9 . Дільник напруги, складений на цих резисторах, забезпечує стійкість робочих точок транзисторів по базових ланцюгах. Тому струми деталей повинні бути більшими за струми баз приблизно в 5 разів. Тоді

IRд2 = 5IБр (7.18)

IRд1 = 5IБр + IБр = 6IБр (7.19)

Величину опору Rд1 = R1 = R8 знаходимо за формулою

Rд1 = R1 = R8 = (Eжив – UБЕр – I R6 R6 ) / IRд1 (7.20)

Потужність, розсіювана на резисторах Rд1 рівна

P Rд1 = I² Rд1 Rд1 (7.21)

Знаходимо Rд2= R2= R9

Rд2= R2= R9=( UБЕр + R6)/

P Rд2= Rд2.

Вибираємо стандартні резистори R1, R2, R8, R9, (табл.1.18).

12. Знаходимо вхідний опір каскаду R'вх без врахування впливу опору дільника

R'вх=2(Y22е Rн Rк +2 Rк + Rн) /( Y21е Y22е – Y12е Y21е) Rк Rн + Y11е(2Rк – Rн)),

RК= R3= R7; Rн= R4 (рис 7.1).

13 Визначаємо загальний опір каскаду Rд.заг. дільників між базами транзисторів

Rд.заг = 2 Rд1 Rд2 / (Rд1 + Rд2),

де Rд1= R1= R8; Rд2= R2= R9.

14. Знаходимо результуючий вхідний опір каскаду Rвх . Опори R'вх та Rд.заг включені паралельно. Тому

Rвх = R'вх Rд.заг / (R'вх + Rд.заг).

Отримане значення Rвх повинно бути більшим чи однакового порядку з заданим внутрішнім опором Rн джерела вхідного сигналу. В цьому випадку можна обійтись без додаткового підтвердження джерела вхідного сигналу з вхідним опором підсилювача.

При практичному виконанні ППС на транзисторах варто пом’ятати, що на величину дрейфу колекторного струму транзисторів сильно впливають технологічний розкид параметрів, доходячий у віддалених екземплярів транзисторів до ±100% , - а також повзучість – зміни параметрів з плином часу в результаті старіння транзистор в процесі експлуатації чи зберігання. Тому перед монтажем схеми транзистори обов’язково варто перевірити на повзучість і відповідність потребам схеми. Транзистори в балансних каскадах повинні мати параметри, які відрізняються не більше ніж на 2-3%.