От чего зависит коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторе

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Биполярные транзисторы.Часть 3.Усилительный каскад.

Здравствуйте, продолжим знакомство с биполярными транзисторами. В предыдущем посте был рассмотрен транзистор в качестве электронного ключа. Но это ещё не все возможности биполярных транзисторов, можно сказать даже ключевой режим работы – это лишь малая доля в схемах, где используются транзисторы. В львиной доле транзисторных схем транзистор используется в качестве усилительного прибора. В данных схемах транзистор используется в так называемой активной области. Транзистор в качестве усилительного прибора, включается в усилительный каскад, который кроме транзистора содержит ещё цепи питания, нагрузку и цепи связи с последующим каскадом.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схемы включения транзистора

Для биполярных транзисторов возможны три схемы включения, которые обладают способностью усиливать мощность: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Схемы отличаются способом включения источника сигнала и нагрузки (RН).


Схема с общим эмиттером


Схема с общей базой


Схема с общим коллектором.

Для всех схем включения транзистора при отсутствии сигнала, подаваемого от источника (еГ), необходимо установить начальный режим по постоянному току – режим покоя. При этом как и говорилось в предыдущем посте эмиттерный переход должен быть открытым, а коллекторный – закрытым. Для транзисторов p-n-p это достигается подачей отрицательного напряжения на коллектор (коллекторного напряжения E0C) и отрицательного напряжения на базу (напряжения смещения E0B). Для транзисторов n-p-n полярность этих напряжений должна быть противоположной. Режим покоя транзистора опредяляется положением его рабочей точки, которое зависит от тока эмиттера IE (практически равного току коллектора IС и зависящего от E0B) и от напряжения E0C.

Усилительные параметры транзистора

Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h21e и fТ (или fh21b). Зная параметр транзистора h21e для заданного режима покоя IE, можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:

где S — проводимость транзистора, re — сопротивление эмиттера транзистора.

Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |Ki| — коэффициент усиления тока транзистора, ZВХ — входное сопротивление транзистора:

Параметры усилительного каскада Схема включения
ОЭ ОБ ОК
|K| S*RH S*RH S*RH /( 1 + S*RH)
|Ki| h21e h21e/(1 + h21e) h21e
ZВХ h21e*re re h21e*RH

Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.

Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.

Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.

Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки RH и велико (почти в h21e раз больше RH), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала RГ и мало (почти в h21e раз меньше RГ). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.

Вам понравится:  Как на схеме обозначается выкатной выключатель

Цепи питания биполярных транзисторов

Для обеспечения заданного режима работы биполярного транзистора требуется установить положение точки покоя, определяемое током покоя IС. С этой целью на электроды транзистора должны быть поданы два напряжения: коллекторное и напряжение смешения базы. Полярность этих напряжений зависит от структуры транзистора. Для транзисторов p-n-p оба этих напряжения должны быть отрицательными, а для n-p-n – положительными, относительно эмиттера транзистора.. Величины коллекторного и базового напряжения должны быть различны; кроме того, различными оказываются и требования к стабильности этих напряжений. Поэтому используются две отдельные цепи питания – коллектора и базы.

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.

В многокаскадных усилителях коллекторные цепи всех каскадов подключаются параллельно к одному общему источнику E0C. В этом случае цепь питания коллектора содержит развязывающий фильтр RфCф. Назначение такого фильтра – устранить паразитную обратную связь через общий источник питания. При питании от сети переменного тока, кроме того, уменьшаются пульсации напряжения питания. Резистор Rф включают последовательно с нагрузкой RН, и на нём теряется часть коллекторного напряжения. Поэтому рекомендуется сопротивление Rф выбирать исходя из допустимого падения напряжения:

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора UCE выбирается в пределах

При этом минимальное значение UC не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже


Схема с фиксированным током


Схема с фиксированным напряжением


Схема с автоматическим смещением

Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения UB или создания в цепи базы требуемого тока смещения IB. В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение UBE,равное (в зависимости от IB) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E0C или от отдельного источника питания базовых цепей E.

При питании от E0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.

Расчёт усилительного каскада

Схема с автоматическим смещением, получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: Rb1, Rb2 и RE. За счёт отрицательной обратной связи создаваемой RE в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный конденсатор CE используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин Rb1, Rb2 и RE должны быть известны напряжение источника питания E0C и ток покоя IС. Ориентировочные значения Rb1, Rb2 и RE могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.

Входящие в вышеприведённые формулы b, c и UBE зависят от типа транзистора и режима его работы.

Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; UBE – в пределах 0,1…0,2.

Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; UBE – в пределах 0,6…0,7.

При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения UBE выбирают для больших значений IС.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Источник

Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах

Цель работы – изучить работу схем и основные характеристики транзисторных усилительных каскадов с общим эмиттером и общим коллектором работающих в режиме класса А.

1.1. Краткие теоретические сведения

Усилитель – это электронное устройство управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. При этом мощность требуемая для управления этим потоком должна быть меньше мощности отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадать. Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рис.1.1.

Рис.1.1. Обобщенная структурная схема электронного усилителя.

РВХ – мощность электрического сигнала на входе усилителя; РИСТ – мощность потребляемая от источника питания; РПОТ – мощность потерь (рассеиваемая на элементах усилителя); РН – мощность отдаваемая в нагрузку;

ИК – информационный канал; ЭК – энергетический канал.

Транзисторы используются как управляющие элементы в усилительных цепях. По названию того электрода транзистора, который используется как общая точка для напряжений входного и выходного сигналов, различают три основные схемы усилителей на биполярных транзисторах:

Вам понравится:  Ezonetronics rm ct0009 схема подключения

с общим эмиттером (ОЭ),

с общим коллектором (ОК),

с общей базой (ОБ).

В наиболее распространенных схемах усилителей используются npn транзисторы (рис.1.2.б.). Однако pnp транзисторы (рис. 1.2.а.) также можно использовать, но тогда нужно изменить полярность рабочего напряжения. Полярности напряжений, которые необходимо подавать на электроды транзисторов, можно определить по направлению стрелки эмиттера, которая показывает направление протекания тока через p–n , переходы транзистора, учитывая то, что ток в электрической цепи протекает от «+» к «-«.

При работе усилительного каскада через p–n переходы транзистора протекает два основных тока – ток базы (IБ) и ток коллектора (IК), а по цепи эмиттера — ток эмиттера (IЭ), представляющий собой сумму этих двух токов.

Рис. 1.2. Условное графическое обозначение биполярных транзисторов p-n-p (рис. 1.2.а.) и n-p-n (рис. 1.2.б.) типа. (стрелками показано направление протекающих в них токов).

Работу усилительного каскада рассмотрим на примере схемы с общим эмиттером (рис.1.3.).

Рис. 1.3. Усилительный каскад с общим эмиттером.

Перед тем как подавать на вход усилителя сигнал подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется протеканием постоянных токов по электродам транзистора и постоянными напряжениями на них.

Начальный режим работы определяется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (UКЭН, IКН), где UКЭН и IКН — начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллектора.

Для усиления без искажений двухполярного входного сигнала, например синусоидального, НРТ должна располагаться на линейных участках входных характеристик и на горизонтальных участках выходных характеристик транзистора, таким образом, чтобы обеспечить усиление обеих полуволн входного сигнала заданного уровня без существенных искажений (режим работы усилительного каскада класса А).

Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения НРТ. Из известных схем стабилизации наибольшее предпочтение отдается схеме с эмиттерной стабилизацией рабочей точки. Чтобы зафиксировать напряжение на базе транзистора используют делитель напряжения (Е) питающего каскад, выполненный на резисторах R1 и R2 (рис. 1.3.). Ток делителя выбирают из условия IД (2…5)IБ0. Чем больше IД, тем стабильнее работает каскад, так как изменения токов коллектора IК и эмиттера IЭ, а значит и тока базы IБ (IБ = IЭ – IК), не приведет к значительному изменению напряжения на R1 т. к.

Для обеспечения заданного режима работы транзистора необходимо, чтобы текущий через резистор R2 ток делителя IД создавал на нем падение напряжение

поэтому R2 = . (1.4)

Схема эмиттерной стабилизации использует отрицательную обратную связь (ООС) по току. Элементом обеспечивающим эту связь, является резистор в эмиттерной цепи RЭ (рис.1.3). В следствии этого, естественно, уменьшается усиление. Однако отрицательная обратная связь обеспечивает термостабилизацию рабочей точки и компенсацию нелинейных искажений вызванных нелинейностью передаточной характеристики каскада (зависимостью коэффициента усиления от амплитуды усиливаемого сигнала). Коэффициент усиления по напряжению схемы с ООС приближенно определяется как

КU = = — , (1.5)

где rЭ –внутреннее сопротивление эмиттера.

Знак минус в формуле 1.5 соответствует изменению фазы выходного сигнала на 180 0 . Как следует из выражения 1.5, при условии, что RЭ >> rЭ, коэффициент усиления практически не зависит от параметров транзистора и определяется соотношением величин сопротивлений RК и RЭ. С учетом емкости CЭ полное сопротивление эмиттерной цепи будет иметь комплексное значение

ZЭ = , (1.6.)

поэтому в соответствии с уравнением (1.5) коэффициент усиления также станет комплексным:

(1.7)

где фазовый сдвиг выходного напряжения.

При этом на низкой частоте при 0 cохранится прежнее значение КU определяемое формулой (1.5). С повышением частоты коэффициент усиления растет и на высокой частоте определяется формулой

КU ВЧ = -jwCЭRЭ, при этом фазовый сдвиг будет близок к 90 0 . Данное обстоятельство используется для компенсации снижения коэффициента усиления транзистора в области высоких частот и соответственно выравнивания амплитудно-частотной характеристики усилителя.

Рассмотрим работу схемы термостабилизации положив, что увеличение тока коллектора вызвано повышением температуры. Поскольку потенциал на базе транзистора (UСМ) при этом не изменяется, приращение приведет к уменьшению управляющего напряженияUБЭ и соответственно к уменьшению тока базы, а следовательно и тока коллектора. Ток коллектора, таким образом, стабилизируется.

Вам понравится:  Посадочное место транзистора kicad

Разделительные конденсаторы С1 и С2 предотвращают попадание постоянного тока от источника питания Е с одной стороны в нагрузку, с другой – в источник входного сигнала, однако оказывают существенное влияние на коэффициент усиления каскада. Частотная зависимость коэффициента передачи входной цепи определяется формулой (при R1 UВХ. МАКС. наблюдаются нелинейные искажения выходного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

КГ = , (1.17)

где U1m , U2m, U3m, Unm – амплитуды 1 – й (основной), 2,3 и n – й гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина D = характеризует динамический диапазон усилителя.

Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии. Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот – переходная характеристика в области больших времен.

Схема с общим коллектором

В схеме с общим коллектором (ОК) нагрузка включена не в цепь коллектора, а цепь эмиттера. Входным в этой схеме является напряжение между базой и корпусом, а выходным – между эмиттером и корпусом (рис. 1.6). Для переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения в входной и выходной цепях каскада являются короткозамкнутыми. Поэтому к коллектору оказываются подключенными и

источник входного напряжения и сопротивление нагрузки. Отсюда и название — схема с общим коллектором.

Рис. 1.6. Схема включения транзистора с общим коллектором.

В отличии от схем с ОБ и ОЭ в которых потенциал эмиттера был привязан к корпусу, в схеме с ОК потенциал эмиттера привязан к напряжению на нагрузке. Чтобы транзистор мог работать в активном режиме, необходимо, чтобы входное напряжение в этой схеме было выше напряжения на нагрузке на величину напряжения UБЭ:

В связи с этим величина входного напряжения в схеме с ОК может быть во много раз больше чем в схемах с ОБ и ОЭ.

Другой особенностью схемы с ОК является отсутствие усиления по напряжению. Как видно из схемы, UВЫХ меньше UВХ на величину напряжения UБЭ, которое при открытом транзисторе составляет доли вольта.

Если входное напряжение увеличиться на некоторую величину UВХ, то произойдет увеличение управляющего напряжения UБЭ, что приведет к увеличению тока, протекающего через транзистор. Но с ростом тока увеличивается и напряжение на нагрузке, а это приведет к уменьшению управляющего напряжения UБЭ = UВХ – UВЫХ. Изменение входного напряжения будет скомпенсировано аналогичным изменением выходного напряжения. Получается, что выходное напряжение будет в точности отслеживать все изменения входного. Поэтому схема с ОК получила название «эмиттерный повторитель». Коэффициент передачи по напряжению схемы с ОК КОК 1. Однако такие усилители имеют достаточно высокий коэффициент усиления по току, и следовательно, по мощности.

Коэффициент усиления по току схемы с ОК равен:

КIК = , (1.19)

где — коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ.

Учитывая, что Iб = найдем

RВХ = . (1.20)

Таким образом, входное сопротивление схемы с ОК значительно превосходит входное сопротивление схем ОЭ и ОБ и составляет десятки кОм.

Реальная схема эмиттерного повторителя имеет коэффициент передачи по напряжению меньше еденицы, так как часть входного напряжения падает на собственном сопротивлении эмиттера rЭ откуда следует, что

КU = . (1.21)

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя можно найти по формуле

RВЫХ = , (1.22)

где RИ – внутреннее сопротивление источника входного напряжения.

С учетом сопротивления RН эмиттерного повторителя,

(1.23)

Из приведенного рассмотрения следует, что выходное сопротивление эмиттерного повторителя значительно ниже его входного сопротивления. В связи с этим эмиттерный повторитель можно использовать для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой. Иными словами, эмитттерный повторитель обеспечивает усиление по мощности, что особенно важно при использовании маломощных источников сигнала с большим внутренним сопротивлением.

Благодаря отмеченным свойствам эмиттерный повторитель используют в качестве выходного каскада устройств для усиления сигнала по мощности, когда усиление его по напряжению уже достигнуто предыдущими каскадами.

Схема с ОК обеспечивает усиление по мощности

КРК = КUК КIК . (1.24)

Источник

Оцените статью
Частотные преобразователи
Adblock
detector