ВС 213 AC 151

tKBO В.................... -45 -32

Ujgo, В.................... - 30 - 24

бэо. В.................... -6 - 10

к.шкс- ................. -200 -200

макс. С................... 150 90

пер. °С/мВт.................. 0,417 0,3

Дном...................... 100 100

рас.макс(©о,ф=25°С), мЗг.......... 300 200

(©=25°С), мкА............. 0,015 -10

fB3npo(©=25°C), В............. -0,7 -0,15

6(/б = 01 wA), Ом.............. 250 300

Диапазон изменения температуры окружающей среды - от вокр.ыин = - 25°С до %кр. ак= = + 30°С.

Решение. Если пренебречь влиянием тохг базы, то рассеиваемая мощность в рабочей тотке при ©окр.ном = 25°С в о.)еих схемах будет равна

pac.HOv,S t/кз/к = (- 5) (- 10) = 50 мВт.

Приведенное сопротивление цепи базы определяется из условий задачи следующим образом:

;?g = 5;?3 = 5-0,33= 1,65 кОм;

%Ов = Б-БО. = Ь65-0,3= 1,35 кОм;

BSi = б - ESi = 1.65 - 0,25 = 1,4 кОм.

Температурная зависимость тока коллектора определяется по формуле (7.4). Запишем это уравнение в следующем виде:

А/к (6) = - д^бэ пр.о (®) + Ш/кБО (6).

Так как R, Rg и Вно.м одинаковы в обеих схемах, то одинако вы и коэффициенты А и D:

. ном

- Л'б-Ь/эС +HO...) ~

= [1,65 + 0,33 (1 + 100)]-10 =2,83-10- Ом-; (б + /?э)( + Д..ом) (1,65 + 0,33) (1 + 100) - /?б + /?э(И-В„ом) 1,05 + 0,33 + 100) -52.

Рассмотрим сначала схему с германиевым транзистором типа АС 151. Температура перехода в рабочей точке для температуры окружающей среды ©окр.но.ч = 2С°С:

©ном = ©окр.ном + /?пер^=рас.но S 20 + 0,3 50 = 35°С

Ае ом= 0,3-50= 15°С.

Из уравнений (7.1) и (7.3) находим значения об1:атного тока коллектора /j(-gQ и напрячгеиия смещения база -эмиттер UqqI

кбо (35) /кБО (-25) ехр [6 (35 - 25)] = = -10 ехр (0,1-10)= -27,18 мкА; 1бэ Щ.0 (35) = с^бэ про (25)-I- (35 - 25) = = - 160-f 2-10= -140 мВ; кэо (35) = (1 + Дюм) /кБО = (1 + 100) ( - 27.18) мкА = = -2,745 мА; /к (35)-/кэо (35)

б(=-в;;г.-=

- 10 + 2,745 =-- мА = -72,55 мкА;

/э(35)= - (/к +/б) = 10 +0,07255s 10.073 мА;

К- /(35)

- 15 + 5+ 10,073-0.33 =- ]0.10-з -== 667.6 Ом;

Бсм = - (35) Яэ + Г^бэ п,ю (35) + /б (35) б = = - 10.073-0.33 - 0.14 - 72.55-10--1.65 = 3.584 В.

Теперь проверим, оправданно ли было при расчете мощности рассеяния пренебрежение токо.м базы:

Ррас (35) = (35) /к (35) + t/ga ро (35) /б (35) + + rjPs (35) = 5-10+ 0,14+ 7-72.55-10-3 + + 0.3 (72,55-10-3)2= 10,011 mBtsIO мВт.

Отсюда видно, что токо.м базы можно было действительно пренебречь. Всегда, когда изменяется температура окружающей среды, изменяется и мощность, рассеиваемая в рабочей точке, а потому новая температура перехода определяется совместно этими двумя параметрами. Поэтому необходимо использовать метод проб и ошибок, чтобы определить новую рабочую точку. После проведения оценки температуры перехода вычисляется новая мощность рассеяния б рабочей точке. Если температура перехода, полученная с учетом этой мощности рассеяния, равна расчетному значению, то полученная рабочая точка будет соответствовать истинной рабочей точке.

Если ©oKpi = 30 °С, то Лбокр, = 30 - 20 = 10 С. Повышение температуры окружающей среды влечет за собой > О, At/jg<0

и изменение в Ррас определится той велишной, изменение которой больше, т. е. либо Д0>део,ф, либо Д0<Д©окр. Предположим, что Д01 = 9,55°С, тогда

0, = 35 + 9,55 = 44,55 С,

КБО (44,55) = - Юехр [0,1 (44,55 -25)] = -70,38 мкА; Д^КБО! = /кво (44,55) - /Бо (35) = = -70.38 + 27,18= -43,2 мкА; БЭпро (44.55)= - 160 + 2 (44,55 - 25)= - 120,9 мВ;

Д^БЭ про = fE3 п,х) (44,55) - t/js (35) = = - 120,9+ 140= 19,1 мВ; КЭО (44,55) = (1 + 100) ( - 70,38-10-)= -7,11 мА; Д/К! =/к(44.55)-/р. (35)= -2,86-10--19,1 + + 5,72 ( -43,2-10-)..= -0,3 мА; /к (44,55)= -Ю-0,3= -10,3 мА;

/б (44,55)= ~ °ioo мА= -31,9 мкА;

t/кэ (44,55)= - E -I(U,5)R-1(44,5)+ + /б(44,5)/?э= -15+ 10,3-10--667,6 + + (10,3-10- + 31,9-10- ) 330= -4,71 В;

рэс (44,55)4,71-10,3 = 48,51 мВт; 0 = 30 + 48,51-0,8 = 44,55344,55 С,

т. е. вычисленные значения относятся к температуре окружаюшей среды ©окр = ЗС С.

Если ©окра = - 25 °С, то Д©окр2 = - 25 - 20 = - 45 ° С.

Предположим, что Д02 = -44,5°С. В этом случае ©2 = 35-- - 44,5= - 9,5°С и, таким образом,

/КБО ( -9,5) = - Юехр [0,1 ( - 9,5 - 25)1= -0,32 мкА; Д^КБ02 = КБО ( - 9 5) - -КБО (35) = = -0,32 + 27.18 = 26.86 мкА; БЭпро( -95)= - 160 + 2 ( - 9,5 -25)= -229 мВ;

А^БЭ про = БЭ про ( - 10.5) - t/Бэ про (3) =

= -229+ 140= -89 мВ; /кэо( -9,5) = (1 + 100) ( - 0.317-10-)= -0.032 мА; Д/к2 = /к: ( - 9.5) -/к (35)= -2,86-10-( - 89) + + 5.72-26,86-10-=0,408 мА;

( - 9,5) = 0,408- 10= -9,592 мА;

- 9,592 + 0,032

/б ( - 9.5)=-- мА= -95.6 мкА;

( - 9,5)= - 15 +9,592-10-3-667,6 + + (9.592-10-3 + 95.6-10-=) 330= -.5,4 В; Лис ( - 9,5)5,4-9.592 = 51,8 мВт; ©2= -25+ 51.8-0,3= -9,46 °Cs -Э.б^С.

Таким образом, вычисленные значения соответствуют температуре окружающей среды 0окр= - 25°С.

Рассмотрим схему с кремниевым транзистором типа ВС 213. Вычисления производятся, как указано выше.

Температура перехода в рабочей точке при температуре окружающей среды ©окр.ном = 20° С равна:

®ном= 20 + 0,417-50= 40,85 °С,

а

А®ном = о,417 50 = 20,85 °С. При этой температуре перехо,ца

кбо (40.85) = - 15 ехр [0.15 (40,85 - 15)] = - 162,2 нА;

О'бэпро (40,85) = - 700 + 2 (40,85 - 25) = - 668.3 мВ;

/30(40.85) = (1 + 100) ( - 162.2) нА = - 16,38 мкА;

-10+16,38-10-3 /б (40,85) =-щ-мА = - 99,84 мкА;

/э (40,85)= 10 + 99,84-10-3= 10,1 мА;

- 15 + 5+10,1-0,33

Rjf =-jQ. 10-3-== 666,7 Ом;

С/бсм= - 10,1-0,33-0,6683 -99,84-10-3.1,65= -4,166 В; Рр а о = 5 -10 -t- 0,668 - 99,84 -10-3 -1- 0,25 (99,84 -10-)== =50,069s50 мВт.

Таким образом, пренебрежение рассеянием мощности в базе оправдано и при расчетах схемы на кремниевом транзисторе.

Если ©ОКР, = 30°С, то Д©окр1=О^С. Предпо.ложим, что Д©1 = = 9,85°С. В этом случае © = 40,85 + 9,85 = 50,7 С и, таким образом,

/р.Бо(50,7)= -15 ехр [0,15 (50,7 -25)]= -709,3 нА; Aljfpoi= -709,3+162,2= -547.1 нА; 1/бэпро (50.7)= -700 + 2 (50,7 - 25)= -648,6 мВ;

Д^БЭпр1= - 648,6 + 668,3= 19,7 мВ; КЭО (50,7)= (1 + 100) ( - 709,3) иА = -71.64 мкА; А/к1= -2,86-10-5.19,7 + 5,72 ( - 547,1.10- ) = = -0,0595 мА; (50,7)= - 10 - 0,0595= - 10,0595 мА;

, .гп .,4 10,0595 + 71,64.10-

/б (50,7) =-- мА= -99.88 мкА;

[/э (50,7)= - 15+ 10,0595.10-5.666,7 +

+ (10,0595.10-+ 99,9-10- ) 330= -4,941 В; Ррс (50,7) S 4,941.10,0595 = 49,7 мВт; 0, = 30 + 49,7.0,417 = 50,72 °Cs 50,7 °С. Если 0ОКР2 = - 25 °С, то Д0ОКР2 = - 45 °С.

Предположим, что Д02 = -44,55 °С. В этом случае ©а = = 40,85 - 44,55= - 3,7 °С, тогда

КБо( -3.7)= - 15ехр[0,15 ( -3,7 -25)]= -0.2 иА;

Таблица 7.5

Характеристики гранзисторэв типа ВС 213 и АС 151

Параметр

ВС 213 при температуре, °С

АС 151 при температуре, С

I 0 I

R. Ом

Бсм

А/. МА

\э-Vo-

БЭ про

БЭпрО'- /g. мкА

в, -С

®-в„акс. °С

-9,474

0.253

-5.253

-0,253

-0,0002

0.162

-0,02-10-3

-757.4

-89.1

97,47

-3.7 153,7

666.7 1400 4,163

-Ш

О --5

О

-0,162 О

0.0164

-558,3 О

-99,84

40,85 109,19

-10.0;85 -0,0595 -4,941

0,059 -0,709 -0,547 -0,0716 -648,6

19.7

-99,88

50.7 99,3

-9,592

0,408

-0,4

-0,32

26,86

-0,032

-229

-95,6

9,5 99,5

667,6

1350

3.584

-10 О

О

-27.18

О

-2,745 -140 О

-72.55

35 55

-10.3

-0.3 -4,71

0.29 -70.38 -43.2

7,11 -120,9

19,1

-31,9

44,55 45,45

= -0,2+ 162,2 = 162 нА;

tB3npo(-3.7)= -700+(-3,7-25)= -757.4 мВ; Д'БЭпр2= -757,4 + 668,3= -89.1 мВ;

кэо

( - 3,7) = (1 + 100) (-0,2)= -20,2 нА;

Д^К2= -2,83-10-3 ( - 89,1)+ 5,72 (162.10- ) = 0,253 д. 1 ( - 3,7)= - 10 + 0,253= -9.747 мА;

/б (-3,7) =

- 9.747 + 20,2.10- 100

мА= -97,47 мкА;

КЭ (-3.7)= - 15 + 9,747.10-3.666.7 + + (9,747.10-3 +97,47.10- ) 330= 253 В;

Л>ас ( - 3.7) 5,253-9.747 = 51,2 мВт; ©2= -25 + 51,2-0,417= -3.65°Cs3.7°C.

Полученные результаты приведены в табл. 7.5.

Данные в табл. 7.5 показывают, что температурная зависимость (Урэ и /к в кремниевом транзисторе мень.ше, чем в германиевом. Причина этого заключается в том, что, хотя относительная чувстви-

Рис. 7.19. Выходные характери-

стики р-каиального полевого транзистора типа BF 320.

О г It В 8 10 1Z писи,в

Рис. 7.20. Схема усилителя с общим истоком (а) и та же схема, преобразованная с использованием теоремы Теве-инна (б).

тельность к температуре обратного тока коллектора в кремниевых транзисторах гораздо выше, сам обратный ток при температуре 0=25 °С на три порядка меньше. Поэтому во всем диапазоне температур, допустимых для германиевого транзистора, температурные изменения параметров рабочей точки у кремниевых транзисторов будут меньше, чем у германиевых.

Выше подразумевалось, что германиевый транзистор всегда можно заменить кремниевым приблизительно с теми же мощностью, тепловым сопротивлением и коэффициентом усиления по току при условии, что большее напряжение смещения база - эмиттер БЭпрО компенсируется соответствующим изменением напряжения Бсм. поступающего на базу от делителя.

Обратное будет неверно, так как, во-первых, допустимая температура перехода у германиевых транзисторов ниже, чем у кремниевых, и, во-вторых, большее значение обратного тока коллектора германиевых приборов может приводить к их насыщению при повышении температуры.

Задача 7.6. Определить параметры элементов цепей смещения усилителя иа полевом транзисторе с общим истоком при условии, что Ец=-18 В и намеченная рабочая точка находится при Uh=-10 В, /с=-2,2 мА, а входное сопротивление усилителя /?вх=50 кОм. Пусть отношение сопротивлений в цепи сток - исток будет 4 : 1 и выбран полевой транзистор типа BF 320 с р-капалом [50]. Измеренные характеристики транзистора представлены на рис. 7.19. Определить линейный диапазон усилителя при синусоидальном сигнале, /?г=10 кОм и сопротивлении нагрузки н=10 кОм.

Решение. Схема цепей смещения показана на рис. 7.20. Поскольку ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, так как это ток обратиосмещенного р-п-перехода (IsiO), то имеем Iq = - Ij [46]. В соответствии со схемой

En=Ic/Rc+RH + UcH.

Еп - tcH 18 - 10

R+R=.-J-= 2 10- =3,63-10 Ом = 3,63 кОм.,

Из условия .Кс=4/?и получаем:

R =0,725 кОм; ?c=2,91 кОм. Ближайшие стандартные значешя:

/?И =680 Ом; Rc=3 кОм.

В соответствии, с рис. 7.19 напряжение затвора в рабочей точке R =1 В (ша-кривая статической нагрузки). Конденсатор связи С изолирует источник сигнала по постоянному току, и потому в соответствии с рис. 7.20,6

[;3 = /73 + /(,/?jj = 1 - 2,2-10--0,68-10= -0,5 В.

Оптимальное согласование по мощности требует, чтобы входное сопротивление усилителя было равно выходному сопротивлению источника сигнала. Из условия/3=0 следует, что /?вх=3 > а от-

сюда вытекает уравнение

t/3 = £n

R. + Ri

Ей R - £п -

Ri == ff Ех = :iro~500 = -S-O Ом 1,8 МОм, что является стандартным значением. Уравнение

R, + R,

1,8-10 .50.10з

Ri~Rbx ~ 1,8-IO -50-103 Ближайшее стандартное значение 51 кОм.

= 51,43 кОм.

Рис. 7.21. Передаточная характеристика схемы усилителя с общим истоком.

fz Rh

Hi 1

Рис. 7.22. Схема усилителя с общим стоком (а) и та же схема, преобразованная с использованием теоремы Тевени-иа (б).

Полное сопротивление нагрузки усилителя равно: RnRc

Ru =

+ Rc

10-3

Ш + 3 = 23 Ом.

Зная Rr, можно теперь вычертить кривую динамической нагрузки та (рис. 7.19). Это в свою очередь позволяет построить переходную характеристику усилителя (рис. 7.21), которая показывает, что вблизи рабочей точки усилитель может считаться достаточно линейным в пределах диапазона ДС/зц =+0,6 В. Максималь-иапряжение иеиагружеиного источника сигнала, допустимое

ное

С точки зрения искажений, будет равно:

Rr + R

Ur макс - D

д[/зи =

0,6 = 0,84 В.

За дач а 7.7. Определить параметры элементов смещения каскада на полевом транзисторе с общим стоком при условии, что Е„ = 15 В, а параметры рабочей точки Uj = 8 В, /с = 3 мА. Из-пользуется полевой транзистор с р-и-переходом и п-каналом 2N3819 [50], максимальным током нагрузки (ток насыщения) /смакс~ мА при напряжении и^ц = о, напряжением отсечки Uo= - 4 В, током утечки затвора /3= -2 нА при температуре 0 = 25°С и /3 = = - 2 мкА при температуре 0= 100 °С.

Решение. Схема задания рабогей точки представлена на рис. 7.22.

Из соотношений £ =+/75 полу 1аем:

Еп-{ги 15- 8

% =-7-=37jQi:r =2,33-105 Ом = 2,33 кОм.

Ближайшее стандартное значение 24 кОм.

Если пренебречь изменением тока стока в режиме насыщения при t/fj.] > [/q, то ток в рабочей точке может бы.ь выражен уравнением

- с макс

6, 4] , отчуда напряжение [/3 в рабочей точке будет:

- (l - / Jj = 4 (l /и = - 1.81 В.

Приведенное сопротивление должно быть выЭрано таким что'>ы напряжение питания затвора было постошто и температурная зависимость тока утечки не могла влиять иа напряжение рабочей точки [/315. Напряжение [/3 может считаться постоянным, если удовлетворяется условие

/?з^зК/с%1

даже при максимальной температуре перехода, следовательно.

3-10-5-2,4-10 =-20-=3,6-10 Ом.

Так как выбор входного сопротиз.пения более hhicm не ограничи- вается, возьмем R - 36 кОм. В этом случае изменение иапряжения f/3 в рабочей точке под влиянием изменений температуры не превышает одного процента.

В соответствии со схемой la рис. 7.22,6 и без учета падения .напряжения иа сопротивлении Rc получаем:

С = ЗИ + С% = 1.81 -Ь 3-10-5.2,4-10=9 в.

Параметры элементов делителя затвора:

= /?з = 36-10 = 60-10 Ом = 60 кОм; RiRs 60-36

/?2 =

Rt-Rs 60 - 36

= 90 кОм.

Ближайшие стандартные значения: Ri=62 кОм; /?2=91 кОм. Задача 7.8. Для схемы усилителя с общим истоком, показанной на рис. 7.23, определить:

а) параметры цепи смещения при £ == 20 В в рабочей точке-Iq= 2,5 мА, [/си =7,5 В. Отношение сопротивлений в цепях исток - сток Rq/Ri ~ 4;

б) диапазон возможных значений тока в рабочей точке вследствие разброса параметров и (-параметры, соответств5тощие двум! крайним положениям рабочие точки.

JLJC

Рис. 7.23. Схемы к задаче 7.8 (схемы с общим истоком).

10 иА В

Рис. 7.24. Выходные характеристики n-каналь-ного полевого транзистора типа ВС 264.

Используемый транзистор - полевой с р-п-переходом и каналом-типа п ВС 264. Спецификация на него включает типовую выходную-характеристику (рис. 7.24) и зависимости -параметров на низкой частоте от тока и напряжения рабочей точки (рис. 7.25,а-г), а также предельный разброс для группы С этого типа транзисторов: /смаис=9 мА, [/02=-2,8 В, /смакс1=5 мА, [/о1=-1,7 В. Разброс переходных характеристик показан на рис. 7.26. Максимальный ток утечки во входной цепи /3 =15 нА.

Решение. Уравнение контура для цепи исток - сток может быть записано в виде

£п-зи 20-7,5 %+/?С =-Тг--2,5-10-3 =

откуда получим i?c=4 кОм, Ri\= кОм.