,

а выбор резистора RБ можно рекомендовать из условия:

,

если нет других ограничений.

Потенциал коллектора в этом случае определится как:

 (4)

Рис. 5. Зависимость координат статического режима от температуры

Как и в предыдущих случаях, потенциал коллектора выбирается так, чтобы напряжение между базой и коллектором составляло примерно половину напряжения питания источника Е1.

Для схемы рисунка 3в в первом приближении можно считать, что падение напряжения на диоде VD1  а ток базы пренебрежимо мал. Тогда коллекторный ток определяется током эмиттера:

, (5)

а сопротивление резисторов делителя должно быть таким, чтобы ток делителя был соизмерим с током коллектора (для повышения КПД схемы необходимо ток делителя выбирать как можно меньше, если это не противоречит некоторым другим ограничениям). Потенциал коллектора определяется аналогично предыдущему случаю (4).

Для каскодной схемы включения (рис. 3д) при двухполярном питании задача определения координат статического режима решается подобно варианту рисунка 3б, поскольку ток коллектора транзистора VT2 является током эмиттера транзистора VT1:

где – коэффициент передачи тока эмиттера i-го транзистора.

Потенциал базы транзистора VT1 определяется напряжением стабилизации UСТ стабилитрона VD1, а сопротивление резистора R4 выбирается из условия:

,

где IС. МИН – минимальный ток стабилизации стабилитрона.

Оценочный расчёт статического режима многокаскадной схемы с непосредственными связями (рис. 3е) проводится следующим образом. Вначале задаются напряжением Uвых (если оно не задано). Далее, пренебрегая влиянием токов баз, определяют потенциал коллектора транзистора VT1:

Определяют ток коллектора транзистора VT1:

и по известному токовому соотношению – ток базы транзистора VT1 (для такого способа задания статического режима необходимо знать  транзистора VT1). Сопротивление резистора R3 выбирается из условия:

.

Поскольку разность потенциалов на резисторе R2 фиксирована напряжением база-эмиттер транзистора VT3, ток коллектора транзистора VT2 определяется следующим образом:

Приведённые соотношения для каждой схемы рисунка позволяют быстро и с достаточной степенью точности определить либо координаты статического режима (при заданных параметрах цепей смещения), либо параметры элементов цепей смещения при известных узловых потенциалах и токах ветвей. Убедиться в этом читатель сможет, проведя моделирование приведённых схем. Навык, полученный при расчёте типовых схем задания статического режима, позволит осуществлять анализ и параметрический синтез и других, более сложных схем, так как самое важное при этом – правильно определить направления токов в ветвях и знак разности потенциалов между узлами.

Анализ статического режима схем на полевых транзисторах более громоздок, чем на биполярных. Есть существенные отличия в расчёте статического режима для схем на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом и на полевых транзисторах с изолированным затвором. На рисунке 6 приведены обобщённые схемы задания статического режима полевого транзистора с управляющим p-n переходом а, полевого транзистора изолированным затвором в и сток-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом б.

Сток-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом достаточно хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида:

 (6)

где IC.НАЧ – начальный ток стока при UЗИ = 0;

UЗИ – текущее значение напряжения затвор-исток;

UОТС – напряжение отсечки тока стока.

Расчёт координат статического режима проводится при условии, что ток затвора равен нулю, поэтому напряжение на затворе тоже равно нулю при любом сопротивлении резистора RЗ (тем не менее, резистор RЗ необходим, это так называемое сопротивление утечки). Поэтому напряжение затвор-исток можно определить как:

UЗИ = IC RИ. (7)

Получаем уравнение, связывающее координаты статического режима с параметрами элементов схемы:

. (8)

Определение потенциала стока при известном токе стока не должно вызывать у читателя затруднений. Следует помнить, что семейство выходных характеристик полевого транзистора выглядит аналогично биполярному, однако остаточное напряжение полевого транзистора малой мощности существенно выше, чем у биполярного. Это сужает диапазон его активной работы, и при одинаковом с биполярным транзистором напряжении питания максимальная неискажённая амплитуда выходного напряжения будет меньше у усилителя на полевом транзисторе.

Полевой транзистор с изолированным затвором и каналом обеднённого типа имеет сток-затворную характеристику, аналогичную приведённой на рисунке 1.6б, с каналом обогащённого типа – близкую к линейной и размещённую в первом квадранте системы координат (IС – UЗИ). Поэтому для первого случая резистор R1 (рис. 6в) не нужен, а для второго случая по известному напряжению затвора рассчитывается делитель R1-R2, причём резисторы делителя могут иметь сопротивление в несколько сотен килоом, так как ток затвора практически отсутствует.

Рис. 6. Способы задания статического режима полевых транзисторов а), в) и сток-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа б)

Следует отметить, что параметры полевых транзисторов имеют весьма большой разброс значений (до 100 % и даже более), поэтому на практике сопротивления резисторов, задающих режим, часто подбирают в процессе настройки схемы. При проведении анализа с помощью программы моделирования рекомендуется сначала ознакомиться с параметрами модели полевого транзистора, входящей в соответствующую библиотеку, и только затем проводить расчёт схемы.

Можно рекомендовать следующий порядок изучения и исследования способов задания статического режима.

1. Выбрать соответствующую схему и, руководствуясь инженерными соображениями, с помощью известных аналитических выражений рассчитать параметры элементов схемы. Транзистор выбрать из Spice-библиотеки программы. Результаты расчётов занести в таблицу.

2. Составить чертёж исследуемой схемы с помощью графического редактора Schematics, обращая внимание на следующее. Принятое направление тока в математических моделях программы PSpice – от "+" к "-". Ток, втекающий в транзистор, имеет положительный знак, вытекающий – отрицательный. Ток через диод протекает в направлении от анода к катоду. Заметим, что, если в процесс составления описания схемы резистор будет подключён первым выводом к более отрицательному потенциалу, ток через него также будет иметь отрицательный знак. Так как при ответе на некоторые вопросы необходимо определить направления протекающих токов, приведённое замечание существенно, хотя на сам процесс моделирования схемы не сказывается.

3. Провести моделирование схемы, определив узловые потенциалы и токи ветвей. Результаты можно получить как в выходном файле, так и на графике постпроцессора Probe. Если результаты будут отличаться более чем на ±10 %, проверьте правильность расчётов. Если расчёты верны, объясните получившиеся расхождения и по директивам задания на моделирования Parametric подберите требуемые номиналы резисторов для обеспечения рациональных координат статического режима.

Наиболее часто встречающиеся ошибки – неправильно выбранные абсолютные значения сопротивлений при расчёте их отношения, а также ошибки в порядках величин.

4. Проведите моделирование по директиве "DC Sweep" при изменении температуры. Сопоставьте результаты моделирования различных схем, оценивая относительную температурную стабильность напряжения или тока, указывая в меню "Add Trace" графического постпроцессора Probe выражение dy(x)/y(x).

5. Оцените изменение температурной стабильности для схем рисунков 1 и 3г при одинаковых токах коллекторов и напряжениях UК, изменяя абсолютные значения сопротивлений резисторов R1 и R2 в цепи базы так, чтобы потенциал коллектора и ток коллек-тора оставались неизменными. Объясните получившийся результат и сделайте вывод.

6. По окончании моделирования ответьте на вопросы для самопроверки.

Библиографический список

1.         Активные RC-фильтры на операционных усилителях / пер. с англ. ; под ред. Г.Н. Алексакова. – М. : Энергия, 1974. – 64 с. : ил.

2.         Алексенко, А.Г. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. – М. : Радио и связь, 1985. – 256 c.

3.         Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы : справ. пособие / Н.А. Барканов [и др.] ; под ред С.В. Якубовского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Радио и связь, 1984. – 432 с. : ил. – (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

4.         Анисимов, В.И. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Ю.М. Соколов, Н.Н. Прокопенко. – Л. : Энергия, 1979. – 168 с. : ил.

5.         Источники вторичного электропитания / под ред. Ю.И. Конева. – М. : Радио и связь, 1983. – 280 с., ил. (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

Размещено на

Страницы: 1, 2