Расчет усилителя низкой частоты: Методические указания к выполнению лабораторной работы, страница 3

Определим значение U_ВЫХ сигнала.

U_вых=ΔJ_K* R_H,                                                                                                                              (32)

где     ΔJ_K - приращение тока коллектора.            

Запишем выражение для входного напряжения

U_вх=ΔJ_Б*h₁₁                                                                                                                                   (33)

где     h₁₁-  входное сопротивления транзистора,

ΔJ_Б - приращение тока базы, связанное с входным сигналом.

Подставим значение выходного и входного напряжений в формулу (31), получим

K_U= ΔJ_K* R_H/ ΔJ_Б*h₁₁                                                                                                             (34)

где     ΔJ_K/ ΔJ_Б=h₂₁                                                                                                                                  (35)

То есть

          K_U= h₂₁R_H/ h₁₁                                                                                                                            (36)

Полагая известным h₂₁ и h₁₁ можно по заданному К_U определить R_H:

R_H = h₁₁* K_U / h₂₁                                                                                                                       (37)

2. Построение нагрузочной линии.

Для построения нагрузочной линии нам нужно иметь семейство выходных характеристик. Семейство выходных характеристик представляет собой набор кривых описываемых функцией: J_K=f(U_K) при J_б=const

То есть каждая кривая соответствует конкретному значению тока базы J_б=0.

Выделим на семействе выходных характеристик область насыщения и область отсечки.

Область насыщения включает в себя те же участки выходных характеристик, которые характеризуются максимальной нелинейностью. Область насыщения отсекается линией, параллельной оси тока коллектора.

Область отсечки ограничена с одной стороны кривой, соответствующей току базы, равному нулю, с другой стороны осью напряжений коллектора.

Так как усилитель должен работать в линейном режиме, то очевидно значения токов и напряжений в цепи коллектора не должны заходить в область насыщения и область отсечки.

Построим линию, соответствующую максимальному току коллектора. Построим линию, соответствующую максимальному напряжению  на коллекторе.

Построим линию, соответствующую максимальному значению рассеиваемой мощности на коллекторе P_K=J_KU_K. Всё это проводится на семействе выходных характеристик (Рис 4.).

Рис 4.- Семейство выходных характеристик

Область, ограниченная границей области насыщения, максимальным значением тока коллектора, максимальным значением рассеиваемой мощности на коллекторе, максимальным значением напряжения не коллекторе и выходной характеристикой, соответствующей току базы J_б=0 есть рабочая область, в рамках которой проводится расчет.

Рис. 5- Выходная цепь усилителя

Рассмотрим выходную цепь усилителя (рис. 5). Для неё можно записать:

                                                                                   (38)

Данное уравнение есть, уравнение первого порядка и описывается прямой линией, для построения которой необходимо знать координаты двух точек:

1 точка: пусть I_k=0, тогда U_k=U_И.П.

2 точка: пусть U_k=0, тогда I_k=U_ип /R_н. В данном случае I_k есть максимальный ток коллектора, ограниченный сопротивлением нагрузки.

Построим точки на семействе характеристик. Линия проведенная через эти две точки и есть нагрузочная характеристика (линия нагрузки) (Рис.6).

Смысл линии нагрузки: Для любых значений I_k и U_k определяемых значением входного сигнала эти значения тока коллектора и напряжение на коллекторе описываются точкой, лежащей на нагрузочной линии.

Выделим на нагрузочной линии две точки: точку А, точку пересечения нагрузочной линии с границей области насыщения, и точку В, точку пересечения нагрузочной линии с границей области отсечки. Участок АВ – рабочий участок нагрузочной характеристики.

Определим для точки А I_KA и U_KA. Для точки В также определим I_KВ и U_KВ.

Рис 6.-Построение линии нагрузки

Определим возможный интервал изменения напряжения на коллекторе и тока в коллекторной цепи:

                                                                                         (39)    

                                                                                                      (40)

 3. Определим положения рабочей точки:

Рабочая точка есть точка С, расположенная на нагрузочной линии, характеризующаяся значениями I_С и U_С, которые определяют напряжение и ток коллектора в статическом режиме работы усилителя (в отсутствии входного сигнала). Положение рабочей точки определяется тем,  кто рассчитывает усилитель исходя и следующих соображений:

Если мы хотим получить на выходе максимальное выходное напряжение U_вых, то положение рабочей точки С выбирается в середине рабочего участка нагрузочной линии. При таком положении точки С она оказывается расположенной в середине интервала напряжения DU_K , а так как изменение U_K соответствует изменению выходного напряжения, то в DU_K укладывается полный выходной сигнал и  соответствует U_ампл. выходного сигнала. Во всех остальных случаях рабочая точка С смещается в направлении точки В. При этом выходной сигнал уменьшается. Смещение точки С в направлении точки В обуславливает минимальное потребление электроэнергии в статическом режиме работы.

Рис 7-Определение рабочей точки

Пусть положение точки С выбирается из условия получения максимального выходного сигнала (в середине рабочей области нагрузочной линии). Определяем для С значения I_KС и U_KС (рис 7.).

Эти значения определяют статический режим работы усилителя. Таким образом мы при выполнении 1, 2 и 3 этапов определили R_Н, U_KC, I_KC, DI_K, DU_K.

4.  Перенесем рабочую точку С на семейство входных характеристик.  

Так как нагрузочная линия пересекает выходные характеристики, а каждая выходная характеристика, определяется для конкретного тока базы, то каждая из точек пересечения соответствует определенному значению тока базы. Это позволяет проградуировать нагрузочную линию в значениях тока базы и рассматривать её как ось тока базы. Введя ось тока базы мы можем определить значение I_б – соответствующее точке С. Определим значение I_бС. Рассмотрим семейства входных характеристик (Рис 8.).

Рис 8- Семейство входных  характеристик.

Осуществим перенос рабочей точки С на семейство входных  характеристик. Для этого на оси тока базы отметим значение тока базы, соответствующее I_БС. Проведем через точку, соответствующую I_БС, прямую параллельную оси U_бэ. Эта прямая пересечет семейство входных характеристик. Каждая входная характеристика определялась для конкретного значения U_К. следовательно точки пересечения прямой линии и входных характеристик будут соответствовать конкретным значениям U_к, что позволяет совместить прямую с осью напряжений на коллекторе. На этой проградуированной оси отметим точку, соответствующую U_кС. Эта точка и будет точкой С.  Перенесем таким же образом точки А и В на входные характеристики и построим по ним нагрузочную линию (Рис 9.). Она не обязательно будет прямой линией. Следует не забывать, что транзистор не линейный прибор.