ДО РОЗРАХУНКУ РЕЗИСТОРНИХ КАСКАДІВ
ДО РОЗРАХУНКУ РЕЗИСТОРНИХ КАСКАДІВ
за курсом "Основи схемотехніки"
ДО РОЗРАХУНКУ РЕЗИСТОРНИХ КАСКАДІВ.
Методичні вказівки щодо курсу «основи схемотехніки»
Упорядники: проф. А.Г. Алексєєв, доц. П.В. Клімова.
Методичні вказівки присвячені особливостям роботи схем резисторних каскадів на дискретних елементах та інтегральних схемах, сучасним принципам їх розрахунків, аналізу за допомогою спеціальних комп'ютерних програм. Докладно розглянуто приклади розрахунків окремих вузлів на базі розробленої в ГУТ програми Fastmean.
Ці вказівки будуть корисні студентам як доповнення до існуючої навчальної літератури для підготовки до лабораторних та практичних занять, а також з теоретичної частини курсу.
1. каскади посилення на транзисторах
Розрахунок підсилювача повинен починатися з постійного струму. Тільки після того, як у підсилювачі створено необхідний режим на постійному струмі (задано напругу між керуючими електродами та встановлено необхідну напругу між вихідними електродами), змінний сигнал може бути поданий на вхід підсилювача, а посилений сигнал знятий з його виходу.
Стан, у якому знаходиться підсилювальний елемент(УЕ), у нашомуу разі транзистор, за відсутності на його вході сигналу, що посилюється, називаєтьсястаном спокою.Постійні струми та напруги у стані спокою визначають на вхідний та вихідний статичних характеристикахточку спокою[1,2] (або згідно [3]вихідну робочу точку). Положення точки спокою характеризує режим роботи підсилювального елемента постійного струму.
Струми та напруги спокоювстановлюють подачею відповідних постійних напруг (або струмів) від джерела живлення. Необхідний режим роботизабезпечується за допомогою спеціальних ланцюгів, які називаються ланцюгами живлення. Останні зазвичай складаються з резисторів, рідше діодів та індуктивностей. Через елементи ланцюгів живлення протікають постійні струми транзистора.
Ланцюги живлення повинні задовольняти двом основним вимогам:
вони повинні забезпечувати одержання певного режиму роботи, що виражається через координати точок спокою на вхідній (UBE, IОБ) та вихідний (UKE, IOK) статичних характеристиках (рис.1.1);
при вплив дестабілізуючих факторів не допускати помітного відхилення від заданого режиму роботи.
До факторів, що дестабілізують, відносять в першу чергу:
зміна температури, оскільки транзистор є напівпровідниковою структурою,
технологічний розкид параметрів транзистора та резисторів, що забезпечують його живлення,
зміна напруги живлення.
Рис.1.1 Точки спокою А1і А2 на вхідних а) та вихідних б) статичних характеристиках визначають режим роботи транзистора
Необхідність збереження режиму роботи випливає з того, що призначнійзміні струму колектора точка спокою може наблизитися до області відсічення або області насичення, внаслідок чого виникають великі нелінійні спотворення [4] при скільки-небудь високому рівні сигналу (рис. .1.2). Більше того, справа може дійти до втрати працездатності транзистора. Приневеликихвідхиленнях точки спокою від обраного номінального значення зазначені небажані явища є мінімальними.
У разі малого сигналу*догляд точки спокою призводить лише до зміни
диференціальних параметрів транзистора в першу чергу
Рис.1. 2 Обмеження сигналу в режимі відсічення а) та в режимі насичення б)
*Точного визначення "малого сигналу" не існує. У [5] рекомендується режимом малого сигналу називати режим, у якому внаслідок зміни вхідного сигналу параметри УЕ змінюються лише на 10%. Іншим, менш суворим, але наочнішою ознакою режиму малого сигналу є те що, що амплітуди змінних складових струмів і напруг виявляються значно менше постійних складових цих струмів і напруг. Наведені міркування дозволяють вважати, що для розрахунку УЕ в режимі малого сигналу можна скористатися диференціальними параметрами, що характеризують УЕ в точці спокою.
Ланцюги живлення біполярних транзисторів
(схема з емітерною стабілізацією)
Відомо чимало схем ланцюгів живлення та стабілізації біполярних транзисторів. Однією з поширених схем ланцюгів живлення є схема з емітерною стабілізацією(рис.1.3).Ця схема відноситься до класу схем завтоматичним зміщенням. Вони відрізняються від схемз фіксованим зміщеннямтим, що в них при зміні струму колектора струм бази (або напруга на базі) автоматично регулюється так, щоб підтримувати заданий режим.
Внаслідок зовнішньої подібності розташування резисторів з буквоюH(аш), у зарубіжній літературі ця структура відома як схема з H-зміщенням.
Р
У вихідному (статичному) режимі у схемі течуть від плюса джерела живлення + ЄК до його мінуса наступні постійні струми:
струм спокоюколектораIОК – через резистор RК, через транзистор від колектора до емітера;
струмспокою базиIОБ – через резистор RБ1, перехід база-емітер до емітера.
Випливаючи з емітера ці два струми, утворюють емітерний струм ІОЕ = IОК + IОБ. Крім цих струмів у схемі протікає постійний струм через
послідовно з'єднані резистори RБ1 та RБ2. Цей струм прийнято називатиструмом дільникаIД.Оскільки живлення транзистора здійснюється від одного джерела живлення ЕК, напруга на базу транзистора подається з дільника напруги на резисторах RБ1 і RБ2, а саме з резистора RБ2 .
Струм емітера IОЕ, що протікає через резистор RЕ, створює на ньому падіння напруги UЕ=IОЭ·RE.
Струм дільника створює на опорі RБ2 падіння напруги URБ2=IД·RБ2. Ця напруга відповідає напрузі між базою та загальним проводом UБ. В результаті напруга зміщення база-емітер UОБ = UБ - UЕ = IД · RБ2-IОЕ · RЕ.
Необхідне напруження зміщення UОБ отримують рахунок вибору відповідних елементів дільника і опору резистора РЕ. Зазвичай вибором RБ1 і RБ2 встановлюють струм дільника IД ІБ. Струм IД=(5…10)IОБ дає право вважати напругу з урахуванням транзистора фіксованим UБ=IД·RБ2=const.
Динаміка процесу стабілізації в схемі, що розглядається, полягає в наступному.
Якщо під дією будь-якого дестабілізуючого фактора збільшується струм колектора IОК↑, він викликає зростання емітерного струму IОЭ↑,
Це призводить до збільшення падіння напруги на резисторі РЕ.
збільшення напруги на емітері UЕ↑ до U'Е=UЕ+∆UЕ при
незмінному напрузі UБ призводить до зменшення усунення
між базою та емітером UОБ ↓ = UБ U'Е = UБ–UЕ↑.
зменшення усунення на базі UОБ↓ викликає зменшення
базового струму IОБ↓,
зменшення базового струму IОБ↓ призводить дозменшення струму
Короткий запис такого процесу: IОК↓→IОЕ↓→UЕ↓→UБЕ↑→IОБ↑→IОК↑.
Тут спостерігаються два на струм колектора: пряме, від дестабілізуючих чинників, і зворотне - з ланцюга ОС. Зверніть увагу на напрямки стрілок при IОК. Відбувається автоматична стабілізація струму спокою колектора IОК.
Висока стабільність досягається за глибокої ОС. Для цього слід будувати ланку базового дільника з меншим номінальним значенням опорів RБ1 і RБ2, а в емітерному ланцюзі використовувати опори RЕ з більшими номінальними значеннями. На жаль, опору базового дільника не можна задавати занадто маленької величини, так як це призведе до зменшення коефіцієнта посилення, вхідного опору, і збільшення споживаної потужності, а RЕ не можна вибирати занадто великої величини, так як на ньому втрачається частина напруги джерела живлення. Відома рекомендація [4]
де RБ - паралельне з'єднання RБ1 і RБ2.
Для аналізу стабілізуючих властивостей схеми (рис.1.3) пригадаємо теорему про еквівалентний генератор. Замінимо принципову схему еквівалентної, показаної на рис.1.4. Відповідно до теореми Тевеніна [6]
ЕБ=ЕК·RБ2/(RБ1 + RБ2), (1.2)
RБ = RБ1 · RБ2 / (RБ1 + RБ2).
Рис.1.4 Схема з емітерною стабілізацією, перетворена за Тевенін.
Для схеми, наведеної нарис.1.4.,можна написати рівність
ЕБ = IОБ · RБ + UБЕ + IОЕ · RЕ.
При нормальній температурі у відомому співвідношенні ίК= ίБ·h21 + IКЕО [7] можна знехтувати зворотним струмом емітера IКЭО. Тоді струм спокою колектора IОК = h21 · IОБ.
Висловлюючи струм емітера через струм бази IОЕ= IОБ(1+h21), отримуємо
IОБ = (EБ - UБЕ) / [RБ + (1 + h21) · RЕ],
IОК = h21 (EБ - UБЕ) / [RБ + (1 + h21) RЕ].(1.4)
Розрахунок опорів ланцюгів живлення
Цей розрахунок проводиться у такому порядку:
1. Вибираємо напругу джерела живлення ЕК та опір колекторного навантаження RК.
2. Задаємося напругою на емітері та колекторі.
Напруга на емітері зазвичай становить 10-20% від ЕК. Напруга на колекторі зазвичай вибирається рівним ЕК/2 або трохи більше (наприклад, середнє значення між ЕК і UЕ).Падіння напруги наREмає бути більше можливих змін напругиUБЕ, але не настільки великим, щоб помітно зменшити амплітуду вихідного сигналу. Для напруги на колекторі має місце умоваUЕ