573_SHushnov_M.S._Metodicheskie_Ukazanija_Po_Vypolneniju

2.2. Расчет каскада на полевом транзисторе с p-n-переходом

Схема КПУ на полевом транзисторе с p-n-переходом по схеме c общим истоком и истоковой стабилизацией показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема КПУ на полевом транзисторе с p-n-переходом по схеме c общим истоком и истоковой стабилизацией

Расчет ведется аналитическим методом в следующем порядке.

1.Приводится принципиальная электрическая схема каскада и вводятся обозначения элементов на схеме.

2.Рассчитывается общая нагружающая каскад емкость:

C0.вых Cвых.тр Cмонт Cн ,

где Cвых.тр – выходная емкость транзистора; Cмонт – емкость монтажа;

Cн – емкость нагрузки каскада.

Выходную емкость транзистора Cвых.тр можно определить по формуле:

Cвых.тр Cзс Сcи ,

где Сзс – справочное значение емкости затвор-сток при указанном напряжении на стоке Uс.спр , обычно приводится в зависимости от постоянной составляю-

щей тока стока Ic0 ; Сcи – емкость сток-исток транзистора в схеме с общим истоком (часто этой емкостью пренебрегают в расчете, т. к. ее величина крайне мала – от 0,2 пФ до 2 пФ).

Емкость монтажа Cмонт обычно составляет от 1–2 пФ для компонентов для поверхностного монтажа (SMD) до 10 пФ для выводных компонентов.

11

3. Находится эквивалентное сопротивление выходной цепи каскада в обла-

сти верхних частот на частоте fв с учетом заданного коэффициента частотных искажений Mв.вых :

где Mв.вых – допустимые частотные искажения в выходной цепи КПУ на верхней частоте. Обычно искажения распределяют между входной цепью и выход-

ной равномерно, тогда Mв.вых Mв .

4. Определяется сопротивление стоковой нагрузки транзистора:

Rc Rн Rэ.в . (ГОСТ)

Rн Rэ.в

5. Определяется режим работы транзистора по постоянному току Ic0 и

амплитуду тока в нагрузке Icm . Амплитуда тока в нагрузке определяется по формуле:

Icm Umн Rэ.в .

Ток покоя стока (постоянная составляющая) определяется по формуле:

Ic0 Icm kз ,

где kз – коэффициент запаса тока, обычно берется равным 0,4–0,7. Меньшие значения kз увеличивают мощность, рассеиваемую на транзисторе, и приводят к повышению напряжения питания каскада. Но не следует брать значение Ic0 менее 0,5 мА, т. к. при этом ухудшаются усилительные свойства транзистора, а рабочая точка располагается на нелинейном участке проходной характеристики.

6. Определяется напряжение покоя Uc0 , которое должно быть в несколько раз больше амплитуды сигнала на выходе усилителя:

Uc0 2...3Umн .

Часто характеристики транзисторов в справочнике приводятся для напряжения Uc0 10В, поэтому иногда в расчетах при прочих допустимых условиях можно принять напряжение на стоке равным 10 В, т. е. если амплитуда сигнала не превышает 2–3 В.

7. Определяется мощность, рассеиваемая полевым транзистором:

Pc0 Ic0Uc0 .

Полученное значение должно быть меньше допустимой максимальной рассеиваемой мощности Pc0 Pc.макс , определяемой по справочным данным для указанной температуры перехода. Часто приводится значение при температуре не выше 25ºС, но с повышением температуры перехода допустимая рассеиваемая

12

мощность резко снижается. В справочных данных обычно приводится график допустимой рассеиваемой мощности транзистором от температуры перехода.

8. Определяется напряжение питания каскада.

Для выбора значения напряжения питания удобно пользоваться следующим выражением:

Eп kэ Ic0Rc Uc0 ,

где kэ – коэффициент, определяющий величину падения напряжения на сопро-

тивлении обратной связи Rи . Большие значения kэ увеличивают стабильность режима транзистора, но также увеличивают напряжения питания каскада и мощность, рассеиваемую резистором Rи . Обычно величина kэ находится в интервале от 1,1 до 1,3. Полученное по формуле значение напряжения округляют до ближайшего большего, используя вспомогательный ряд стандартных напряжений постоянного тока (см. табл. 3).

9. Определяется сопротивление стоковой цепи постоянному току:

Rн Rc Rb Eп Uc0 . Ic0

Сопротивление в цепи коллектора Rн (коллекторная нагрузка по постоянному току) состоит из сопротивления в стоковой цепи Rc и сопротивления в цепи

истока Rи . Резистор Rи помимо температурной стабилизации обеспечивает отрицательную обратную связи (ООС) и задает положение рабочей точки (цепь автоматического смещения). Введение ООС подобного типа повышает стабильность режима работы транзистора, но снижает коэффициент усиления каскада.

10. Определяется сопротивление резистора Rи в истоковой цепи по формулам:

Rи Rн Rс и Rи.см Uзи0 Ic0 ,

где Uзи0 – напряжение смещения затвора, соответствующее току покоя стока

Ic0 , найденное по справочной зависимости тока стока от напряжения затвористок при указанной температуре (обычно 25ºС).

Если в результате расчета Rи.см и Rи оказались примерно равны (расхождение не более 10 %), то достаточно реализации цепи смещения по схеме на рис. 2 с отсутствующим резистором R'з .

Если в результате расчета оказалось Rи Rи.см , то следует выполнить цепь смещения по схеме на рис. 2 и дополнительно рассчитать сопротивление в цепи питания затвора R'з .

13

Рис. 3. Схема КПУ на полевом транзисторе с p-n-переходом по схеме с общим истоком и истоковой стабилизацией, смещение на затвор поступает с части истокового резистора

Если в результате расчета оказалось Rи Rи.см , то смещения затвора вы-

полняют по схеме на рис. 3, номинал резистора Rи.см выбирают по ГОСТ, а но-

минал R'и находят по формуле

R'и Rи Rи.см . (ГОСТ)

11. Рассчитывается коэффициент усиления каскада по напряжению без ООС:

K SсрRэ.в ,

где Sср – среднее значение крутизны тока стока от напряжения затвор-исток в

окрестности рабочей точки (Uзи0 ,Ic0 ). Среднее значение крутизны можно определить по приведенной ниже формуле:

Sср Ic0 Uзи0 , (определяется по графику Ic f Uзи ). 12. Определяется величина сопротивления в затворе Rз .

Постоянный ток затвора крайне низок (около 10 9...10 12 А), но сильно зависит от температуры – возрастает в 10 раз на каждые 30ºС, поэтому выбор но-

минала резистора Rз в основном определяется требуемым входным сопротивлением КПУ. Обычно его номинал составляет 47 кОм–2 МОм. Максимальное значение резистора определяется максимальным током утечки затвора Iз.ут

14

при указанной температуре, при условии, что напряжение на резисторе Rз не приведет к существенному изменению напряжения смещения Uзи0 . Обычно изменение смещения допускается не более 1 %. С учетом этого можно определить максимальное значение сопротивления в затворе по формуле:

Rз.макс 0,01Uзи0Iз.ут .

Значение Iз.ут можно найти в справочных данных на транзистор.

Номинал Rз.макс выбирают существующим, для резисторов указанного типа из ряда номиналов в соответствии с ГОСТ. Если получилось Rз.макс Rвх , то принимают Rз Rвх .

Ток делителя смещения Iд рассчитывается только для случая, если в схе-

ме необходим резистор R'з . Обычно ток делителя берется в 10–100 раз больше максимального тока утечки затвора:

Iд 10...100Iз.ут.

По известному току делителя Iд и напряжению затвор-исток Uзи0 в точке покоя находят сопротивления резисторов делителя, обеспечивающих это напряжение:

Rз Uзи0 , (ГОСТ)

Iд

R'з Eп Uзи0 . (ГОСТ)

Iд

13. Находится сопротивление резистора Rос , обеспечивающего ООС в каскаде.

Коэффициент усиления каскада с ООС определяется выражением:

По формуле находится:

βK Kос ,

KKос

откуда вычисляется

Rос βRэ.в . (ГОСТ)

Определяется уточненное значение сопротивления Rи.ут. Rи Rос

(ГОСТ).

15

14. Находится общее входное сопротивление Rвх.ос КПУ.

15. Определяется общее выходное сопротивление каскада с ООС:

T βK ,

T2 0 T Rэ.в Rн ,

Rэ.в

F2(0) 1 T2(0),

Rвых.ос Rэ.вF2 0 .

16. Находится общее входное сопротивлениеRвх.ос КПУ с учетом действия ООС, которое будет примерно равно входному сопротивлению каскада без ООС:

Rвх.ос Rвх .

Определяется емкостная составляющая входного сопротивления каскада

Cвх Cзи Сзс 1 Kос ,

где Cзи – емкость затвор-исток транзистора (справочный параметр); Сзс – емкость затвор-сток (справочный параметр).

17. Величина допустимых частотных искажений в области нижних частот распределяется с учетом разрешенной к применению элементной базы и других

соображений между входной цепью Mн.Cр.вх , цепью CиRи –Mн.Cи и выходной цепью Mн.Cр.вых . В данном случае ограничений на распределение частотных

искажений нет, поэтому можно принять, что частотные искажения распределены равномерно:

Mн.Cр.вх Mн.Cи Mн.Cр.вых 3Mн .

Тогда

1

Cр.вых 2πfн Rc Rн Mн.Ср.вых 2 1, (ГОСТ)

где Sи Sср – крутизна характеристики тока истока.

16

18. Величина допустимых частотных искажений в области верхних частот распределяется между входной цепью Mв.вх и выходной цепью Mв.вых . Необходимо проверить, что результирующее значение частотных искажений в области верхних частот, вносимых каскадом, не превышает заданное значение

Mв Mв.вхMв.вых ,

где Mв.вх 1 2πfвСвхRист 2 .

Если условие выполняется – режим каскада выбран правильно. Если усло-

вие не выполняется, то следует уменьшить Rэ.в и повторить расчет.

2.3. Расчет каскада на МОП-транзисторе с индуцированным каналом

Схема КПУ на МОП-транзисторе с индуцированным каналом в схеме с общим истоком и истоковой стабилизацией показана на рис. 4.

Расчет ведется аналитическим методом в следующем порядке.

1. Приводится принципиальная электрическая схема каскада и вводятся обозначения элементов на схеме.

Рис. 4. Схема КПУ на МОП-транзисторе по схеме

собщим истоком и истоковой стабилизацией

2.Рассчитывается общая нагружающая каскад емкость:

C0.вых Cвых.тр Cмонт Cн ,

где Cвых.тр – выходная емкость транзистора; Cмонт – емкость монтажа;

Cн – емкость нагрузки каскада.

17

Выходную емкость транзистора Cвых.тр можно определить по формуле:

Cвых.тр Cзс Сcи ,

где Сзс – справочное значение емкости затвор-сток при указанном напряжении на стоке Uс.спр ; Сcи – емкость сток-исток транзистора в схеме с общим исто-

ком (справочное значение).

Емкость монтажа обычно составляет от 1–2 пФ для компонентов для поверхностного монтажа (SMD) до 10 пФ для выводных компонентов.

3. Находится эквивалентное сопротивление выходной цепи каскада в обла-

сти верхних частот на частоте fв с учетом заданного коэффициента частотных искажений M

где Mв.вых – допустимые частотные искажения в выходной цепи КПУ на верхней частоте. Обычно искажения распределяют между входной цепью и выход-

ной равномерно, тогда Mв.вых Mв .

4. Определяется сопротивление стоковой нагрузки транзистора:

Rc Rн Rэ.в . (ГОСТ)

Rн Rэ.в

5. Определяется режим работы транзистора по постоянному току Ic0 и

амплитуду тока в нагрузке Icm . Амплитуда тока в нагрузке определяется по формуле:

Icm Umн Rэ.в .

Ток покоя стока (постоянная составляющая) определяется по формуле:

Ic0 Icm kз ,

где kз – коэффициент запаса тока, обычно берется равным 0,4–0,7. Меньшие значения kз увеличивают мощность, рассеиваемую на транзисторе, приводят к

повышению напряжения питания каскада. Но не следует брать значение Ic0 менее 2–5 мА, т. к. при этом рабочая точка будет располагаться на нелинейном участке проходной характеристики.

6. Определяется напряжение покоя Uc0 , которое должно быть в несколько раз больше амплитуды сигнала на выходе усилителя:

Uc0 2...3Umн .

18

Часто характеристики транзисторов в справочнике приводятся для напряжения Uc0 10В, поэтому иногда в расчетах при прочих допустимых условиях можно принять напряжение на стоке равным 10 В, т. е. если амплитуда сигнала не превышает 2–3 В.

7. Определяется мощность, рассеиваемая полевым транзистором:

Pc0 Ic0Uc0 .

Полученное значение должно быть меньше допустимой максимальной рассеиваемой мощности Pc0 Pc.макс , определяемой по справочным данным для указанной температуры перехода. Часто приводится значение при температуре не выше 25ºС, но с повышение температуры перехода допустимая рассеиваемая мощность резко снижается. В справочных данных обычно приводится график допустимой рассеиваемой мощности транзистором от температуры перехода.

8. Определяется напряжение питания каскада.

Для выбора значения напряжения питания удобно пользоваться следующим выражением:

Eп kэ Ic0Rc Uc0 ,

где kэ – коэффициент, определяющий величину падения напряжения на сопро-

тивлении обратной связи Rи . Большие значения kэ увеличивают стабильность режима транзистора, но также увеличивают напряжения питания каскада и

мощность, рассеиваемую резистором Rи . Обычно значение kэ находится в интервале от 1,2 до 1,4. Полученное по формуле значение напряжения округляют до ближайшего большего, используя вспомогательный ряд стандартных напряжений постоянного тока (см. табл. 3).

9. Определяется сопротивление стоковой цепи постоянному току:

Rн Rc Rb Eп Uc0 . Ic0

Сопротивление в цепи стока Rн (стоковая нагрузка по постоянному току) со-

стоит из сопротивления в стоковой цепи Rc и сопротивления в цепи истока

Rи . Резистор Rи помимо температурной стабилизации обеспечивает отрицательную обратную связи (ООС) и задает положение рабочей точки (цепь автоматического смещения). Введение ООС подобного типа повышает стабильность режима работы транзистора, но снижает коэффициент усиления каскада.

10. Определяется сопротивление резистора Rи в истоковой цепи по формуле:

Rи Rн Rс . (ГОСТ)

19

11. Рассчитывается коэффициент усиления каскада по напряжению без ООС:

K SсрRэ.в ,

где Sср – среднее значение крутизны тока стока от напряжения затвор-исток в

окрестности рабочей точки (Uзи0 ,Ic0 ) (справочное значение). Так же среднее значение крутизны можно определить по приведенной ниже формуле:

Sср Ic0 Uзи0 , если в справочных данных приведен график Ic f Uзи .

12. Определяется величина сопротивлений цепи смещения затвора Rз и R'з . Постоянный ток затвора низок (около 10…100 нА) и практически не зависит от температуры. Поэтому выбор номинала резисторов делителя в основном определяется требуемым входным сопротивлением КПУ. Для расчета номина-

лов резисторов Rз и R'з задаются током делителя Iд . Ток делителя обычно берут в 10..100 раз больше максимального тока утечки затвора транзистора. Тогда номиналы резисторов делителя определяются по формулам:

Rз Uзи0 Iд , (ГОСТ)

R'з Eп Uзи0 Iд .

13. Находим сопротивление резистора Rос , обеспечивающего ООС в каскаде.

Коэффициент усиления каскада с ООС определяется выражением

б

По формуле находим:

β K Kос ,

KKос

откуда вычисляется

Rос βRэ.в . (ГОСТ)

Определяется уточненное значение сопротивления Rи.ут. Rи Rос

(ГОСТ).

20