Расчет однотактного выходного каскада на одном транзисторе (ОЭ).

Прежде всего выучим формулу закона Ома.

(Если это не помнишь - значит далее читать бессмысленно).

Рис.1.

, где

U , В - переменное напряжение сигнала

E , В - постоянное напряжение приложенное к сопротивлению R;

I , А - мгновенный ток в цепи R;

R , Ом - сопротивление нагрузки.

Далее стоит несколько слов сказать о параметрах транзистора, вернее пока об одном - коэффициенте усиления. Как написано в многих источниках у транзистора (как впрочем и у другого активного элемента) можно найти очень много коэффициентов усиления (если захотеть), от которых в любительских расчетах (да и не только в любительских) толку мало. Поэтому говорить мы будем только об одном - коэффициенте усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ). Раньше его обозначали греческой буквой бетта - b и называли статический коэффициент усиления тока базы. b=Iк/Iб, только вот при разных токах коллектора Iк (соттветственно и Iб) значения b=Iк/Iб несколько различны, а потому умные ученые ввели другое понятие, взятое из теории четырехполюсников (черная коробочка, а из нее выходят четыре вывола - два на вход и два на выход: наш транзистор можно легко вписать туда, если вывести общий провод - эмиттер отдельно для входа и выхода). Динамический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ - h21=DIк/DIб (DIк - приращение тока коллектора, вызванное приращением тока базы DIб). Для простоты в радиолюбительских расчетах считаем b=h21 (далее будем везде обозначать h21, не потому, что так правильнее, а просто так мне проще писать в html-файле) выбираем из справочника минимальное значение (обычно там дается вилка)

Ну вот пришло время поговорить о приятном. Итак начнем.

Кажется совсем просто - поставил транзистор, подключил к коллектору динамик и слушай музыку. Ан нет! Надо еще транзистор в режим вогнать. Какое же должно быть напряжение на базе? Ответ прост - не знаю. Дело в том, что транзистор управляется током базы и нам абсолютно все равно (т.е. по барабану), какое у него напряжение база-эмиттер. Но для расчета параметров нужно знать еще один параметр - напряжение на коллекторе.

Оно выбирается в выходных каскадах т.о., чтобы получить максимально неискаженный сигнал.

Рассмотрим схему однотактного выходного каскада в работающего в режиме A.

Рис.2.

Исходим из того, что ограничение выходного сигнала должно быть равномерное. Ограничение сверху (верхней полуволны сигнала) обусловлено достижением потенциала коллектора напряжения источника питания и наступает при полностью закрытом транзисторе. Коллекторный ток, а следовательно и базовый (Iб=Iк*h21) равны нулю. Ограничение снизу (нижней полуволны сигнала) наступает при полностью открытом транзисторе, т.е. Iк>>IRк. Тогда внутреннее сопротивление открытого транзистора мало и не оказывает влияние на ток, в коллекторной цепи. В эмиттерной цепи к току коллектора добавляется ток базы, но так как он достаточно мал (в коэффициент усиления тока h21 раз меньше Iк - примерно 50-100 раз) - им можно пренебречь и принять что ток коллектора равен току эмиттера. Тогда ограничение снизу наступит при Uвых=Uкн=Iк*Rэ=[Eп/(Rк+Rэ)]*Rэ. Выбираем Rэ<<Rк. Как показано в [1] можно с достаточной точностью считать коэффициент усиления нашего выходного каскада Kус=Rк/Rэ (благодаря наличию отрицательной обратной связи обусловленной введением того же Rэ).

Но коллекторное и эмиттерное сопротивления влияют и на другие важные параметры усилительного каскада, а именно на входное (Rэ) и выходное (Rк) сопротивления.

С достаточной степенью точности можно считать, что входное сопротивление каскада Rвх=Rэ*h21, а выходное примерно равно Rвых=Rк.

Вот здесь надо найти компромисс (расчет всегда компромисс).

I).Для увеличения коэффициента усиления необходимо:

а)уменьшать Rэ;

б)увеличивать Rк.

Для увеличения максимального выходного неограниченного напряжения необходимо:

а)уменьшать Rэ;

б)увеличивать Rк.

Это обусловлено тем, что полезное напряжение снимается только с Rк рис.3.

Рис.3.

II).Но для согласования с предыдущим каскадом входное сопротивление, а следовательно и Rэ=Rвх/h21 должно быть как можно больше.

Для согласования с последующим каскадом выходное сопротивление, а следовательно и Rк=Rвых должно быть как можно меньше.

В продолжении надо сказать еще, что номинал резисторов Rк и Rэ ограничивает тока транзистора и рассеиваемую на нем мощность нашего каскада.

Итак начнем расчет. Питающее напряжение Eп=12 В

1.Принимаем Rк=(5-15)*Rэ=10*Rэ

2.Транзистор КТ315Г(самый распространенный в России). Pmax=150 мВт; Imax=150 мА, h21>50.

Не стоит работать на максимальных токах. Коэффициент запаса не должен превышать 0,8.

Найдем максимальный статический ток коллектора Iкmax. Он определяется максимальной мощностью, рассеиваемой транзистором. Iкmax равен статическому (постоянному) току транзистора без сигнала или при неограниченном (симметричном) гармоническом сигнале (синусоиде).

Рассмотрим рис.3. Режимы транзистора в моменты времени, кратные p/2 гармонического сигнала представлены в таблице.

Из таблицы видим, что максимальная мощность рассеивается на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через точку статического режима транзистора (p, 2p и т. д.).

Принимаем Pрас.max=0,8*Pmax=0,8*150 мВт=120 мВт

Ток коллектора в статическом режиме (без сигнала) определим Iк0=Pрас.max/Uкэ0=Pрас.max/(Eп/2)=120 мВт/(12 В/2)=20 мА

3.Тогда, учитывая что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах (Rк+Rэ)=(Eп/2)/Iк0=(12 В/2)/20 мА=6 В/ 0,02 А=300 Ом

4.Учитывая п.1, а так же существующий ряд номиналов резисторов находим: Rк=270 Ом; Rэ=27 Ом (я думаю легче найти резистор номиналом 27 Ом, чем 30).

5.Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала. Для этого определим максимумы напряжения переменного сигнала (это мы найдем удвоенную амплитуду),

Uк0=(Uкэ0+ Iк0*Rэ)=(Eп-Iк0*Rк)=(12 В -0,02 А *270 Ом)=6,6 В (очень внимательно следите за размерностью величин!!!)

6.Базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается базовым резистивным делителем Rб1,Rб2. Ток базы Iб=Iк/h21=или примерно=[Eп/(Rк+Rэ)]/h21=[12 В/(270 Ом+27 Ом)]/50=0,0008 А=0,8 мА. Ток резистивного базового делителя должен быть много больше (5-10 раз) тока базы, чтобы последний не оказывал влияния на напряжение смещения. Выбираем ток делителя Rб1,Rб2 Iд=10*Iб=10*0,8 мА=8,0 мА. Тогда Rб1+Rб2=Eп/Iд=12 В/8 мА=1,5 кОм.

Кроме закона Ома при расчете транзисторного каскада необходимо помнить следующий постулат: напряжение б-э рабочего транзистора никогда не может превысить 0,7 В!!! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно Uэ=Iк0*Rэ= 0,02 А*27 Ом=0,54 В, где Iк0 - ток покоя транзистора, который можно рассчитать из условия, что без сигнала на транзисторе падает половина питающего напряжения (это напряжение между осями сигнала рис.3). Итак падение напряжения на эмиттере транзистора в режиме без сигнала (впрочем даже если подать сигнал ничего не изменится при условии что выходной сигнал не ограничен) равно Uэ=Iэ0*Rэ или примерно Uэ=Iк0*Rэ или совсем точно (на расчеты это вряд ли повлияет) Uэ=(Iк0+Iб0)*Rэ==(Iк0+Iк0/h21)*Rэ= Iк0*[(h21+1)/h21]*Rэ=20 мА* 27 Ом=0,02 А*27 Ом=0,54 В.

Напряжение на базе считаем напряжение б-э транзистора в режиме равным 0,66 В равно Uб=Uэ+Uбэ=0,54 В+0,66 В=1,2 В. Тогда Rб2= (Rб1+Rб2)*Uб/Eп=1,5 кОм*1,2 В/12В=0,15 кОм. Или по ряду 150 Ом. Rб1=(Rб1+Rб2)-Rб2=1,5 кОм-0,15 кОм=1,35 кОм. Или по ряду в сторону уменьшения (т.к. через этот резистор еще течет ток базы) Rб1=1,3 кОм.

Ну вот и весь расчет, кроме частотного. Для поверки можем собрать все это на монтажной плате. И проверить на частоте 400-1000 Гц Конденсаторы номиналом порядка 5-10 мкФ.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада на транзисторе зависит от многих параметров, но для любительских целей расчет можно значительно упростить.

На нихних частотах АЧХ зависит от времени перезаряда разделительного конденсатора через последовательно соединенные входное сопротивление нашего каскада, блокировочный конденсатор, резистор коллекторной нпгрузки предыдущегго каскада. Т.к. Входно сопротивление нашего каскада гораздо больше выходного, а емкость блокировочного конденсатора много больше емкости рпзделительного, то можно с достаточной точностью сказать, что АЧХ каскада в области нихних частот определяется постоянной времени tн=Rвх*Cвх, где Rвх=Rэ*h21, Cвх - разделительная входная емкость нашего каскада. Да и помните, что Cвых нашего каскада это Cвх следующего и расчитывается она так же Граничная частота среза каскада fн=1/(tн), где fн нижняя граничная частота. Необходимо выбирать 1/(tн)=1/(Rвх*Cвх)<<fн в 3-30 раз (в зависимости от числа каскадов и соответственно числа разделительных конденсаторов). Каждый конденсатор добавляет свой спад АЧХ. Идеально надо бы выбирать 1/(tн)=1/(Rвх*Cвх)<<fн в 30-100 раз для всех каскадов (как правило достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ) кроме последнего. В последнем каскаде, как правило, через Cвых запитана нагрузка с достаточно низким сопротивлением, а следовательно номинал емкости приходится увеличивать до 100,0-1000,0 мкФ. И даже этого бывает мало, но приходится идти на пределе для снижения габаритов схемы.

В области верхних частот спад АЧХ определяеттся постоянной времени tв=Rвых*Cк=RкCк, где Cк - паразитная емкость коллекторного перехода (определяется по справочнику). Но так как для звуковых частот емкость современных кремниевых транзисторов можно считать незначительной - практически любой транзистор будет работать до частот порядка 200-300 кГц в любой любительской схеме.

Евгений Мерзликин