Усилительный каскад с общим коллектором

Усилительный каскад с общим коллектором

Введение

схема электрический усилительный каскад В современной электронике все большая роль отводится использованию достижений цифровой и (в несколько меньшей мере) аналоговой микросхемотехники. Устройства на микросхемах (более того, иногда только на микросхемах) стали проникать даже в те области, где ранее никому не приходило в голову их использовать из-за явно большей себестоимости по сравнению с простейшими транзисторными цепочками (различные датчики, игрушки, бытовые и промышленные индикаторы и сигнализаторы и т. п.). Несмотря на это все еще остаются сферы, где применение дискретных элементов по-прежнему популярно, а иногда и неизбежно. Кроме того, знание способов включения и режимов работы транзисторов, а также методик построения и анализа транзисторных схем является обязательным для любого инженера — электронщика, даже если ему и не приходится в реальной жизни проектировать схемы на дискретных элементах (ведь современные микросхемы — суть транзисторные схемы, помещенные в один общий корпус с внешними выводами).

Целью данной работы является расчет параметров усилительного каскада с общим коллектором (ОК).

В результате выполнения данной работы, будут получит базовые навыки проведения инженерных расчётов аналоговых электронных устройств.

В первом разделе, теоретическая часть, будут рассмотрены общие сведения об усилителях и транзисторах.

Во втором разделе, практическая часть, будет рассмотрена схема электрическая принципиальная усилительного каскада с ОК.

В третьем разделе, практическая часть, будет проведен расчет основных параметров схемы и выбор элементной базы.

В заключении будут подведены итоги работы.

1.Теоретическая часть схема электрический усилительный каскад

1.1 Общие сведения о биполярных транзисторах Биполярный транзистор — трехэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на рис 1.

Рис 1. Биполярный транзистор.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — большая площадь p-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

Режимы работы биполярного транзистора:

1) Нормальный активный режим. Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) U_ЭБ>0; U_КБ<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U_ЭБ<0; U_КБ>0);

2) Инверсный активный режим. Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

3) Режим насыщения. Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I_Э.нас) и коллектора (I_К.нас).

4) Режим отсечки. В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I_ЭБО) и коллектора (I_КБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

5) Барьерный режим. В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис 2.

схема электрический усилительный каскад Рис 2. Схема включения с ОБ.

Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.

Коэффициент усиления по току:

I_вых/I_вх=I_к/I_э=б [б<1]

Входное сопротивление

R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

· Хорошие температурные и частотные свойства.

· Высокое допустимое напряжение Недостатки схемы с ОБ:

· Малое усиление по току, так как б < 1

· Малое входное сопротивление

· Два разных источника напряжения для питания.

Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) показана на рис 3:

Рис 3. Схема с ОЭ.

I_вых=I_к

I_вх=I_б

U_вх=U_бэ

U_вых=U_кэ

· Коэффициент усиления по току:

I_вых/I_вх=I_к/I_б=I_к/(I_э-I_к) = б/(1-б) = в [в>>1]

· Входное сопротивление:

R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_б

Достоинства:

· Большой коэффициент усиления по току

· Большой коэффициент усиления по напряжению

· Наибольшее усиление мощности

· Можно обойтись одним источником питания

· Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

· Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой Схема включения биполярного транзистора с ОК изображена на рис 4. Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем».

Рис 4. Схема с ОК.

I_вых=I_э

I_вх=I_б

U_вх=U_бк

U_вых=U_кэ

· Коэффициент усиления по току:

I_вых/I_вх=I_э/I_б=I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-б) = в [в>>1]

· Входное сопротивление:

R_вх=U_вх/I_вх=(U_бэ+U_кэ)/I_б

Достоинства:

· Большое входное сопротивление

· Малое выходное сопротивление Недостатки:

· Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

1.2 Общие сведения об электронных усилителях

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.

В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.

В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)

Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.

Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.

Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.

1.3 Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллектором (эмиттерный повторитель) Данную схему (рис. 7) называют также эмиттерным повторителем, вследствие того, что ее выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора, близко по величине к входному напряжению (U_н=U_вх— U_бэ?U_вх) и совпадает с ним по фазе.

Резистор R_э в схеме выполняет те же функции, что и R_к в схеме с ОЭ — создание U_вых за счет протекания I_э, управляемого по цепи базы. R₁, R₂ задают режим покоя каскада, часто R₂ не вводят для того, чтобы увеличить входное сопротивление.

Высокое R_вх — основное достоинство схемы с ОК, поэтому схему с ОК применяют для согласования с источником сигнала, обладающим высоким внутренним сопротивлением.

Для оценки К_U примем R_вх>>R_г, а R_вх?(1+?)(R_э||R_н) при этом К_U?1, точно К_U<1 и в пределе стремится к 1.

Это свойство каскада ОК используют, когда необходимо повысить мощность сигнала при сохранении величины его амплитуды напряжения, т.к. К_U?1, то и К_P?К_I.

Выходное сопротивление мало (10?50) Ом.

Это свойство используют, когда необходимо решить задачу согласования выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки. При этом каскад ОК применяют в качестве выходного каскада усилителя.

Влияние разделительных конденсаторов на частотную характеристику полностью аналогично влиянию соответствующих конденсаторов в каскаде с ОЭ. Они полностью определяют вид низкочастотной части АЧХ каскада.

Важной особенностью эмиттерного повторителя является то, что его входное сопротивление резко уменьшается при повышенной частоте. Это обусловлено инерционностью процессов в базе транзистора, а также наличием коллекторной и нагрузочной емкостей.

Функциональная схема приведена на рис 7.

Рис 5. Функциональная схема каскада с ОК.

2. Практическая часть Для расчета выбрали схему, которая изображена на рис. 6.

Рис 6. Электрическая принципиальная схема усилительного каскада с ОК.

VT1, Rэ — эмиттерный повторитель.

RБ1, RБ2 — резистивный делитель напряжения для смещения рабочей точки транзистора.

С1, С2 — разделительные (фильтрующие) конденсаторы, которые свободно пропускают переменное напряжение в заданном диапазоне частот и отделяют каскад по входу и выходу по постоянному току.

Rн — сопротивление нагрузки, с которого снимают выходной сигнал.

Характерные особенности схемы:

1) Высокое входное сопротивление, значение которого достаточно стабильно.

2) Большой коэффициент усиления по току.

3) Стабильный коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице.

4) Малое выходное сопротивление.

5) Отсутствие в рабочем диапазоне частот фазового сдвига между входным и выходным напряжениями.

Недостатки: Ограничение по сопротивлению нагрузки, так как при низкоомной нагрузке емкость конденсатора С2 должна быть очень большой.

где I_э пок — ток эмиттера при нулевом входном сигнале U_вх; U_п — напряжение питания.

где U_э пок — выходное напряжение эмиттерного повторителя при нулевом напряжении U_вх.

где U_б пок — входное напряжение транзистора.

где k_д — коэффициент делителя напряжения.

где R _вх тр — входное сопротивления транзистора; в — коэффициент передачи по току.

Входное сопротивление каскада равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенных RБ1, RБ2, R _вх тр: R_вх=RБ1//RБ2//R_вх тр.

Выходное сопротивление каскада численно равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенным RЭ и Rн.

Емкость конденсаторов вычисляют по следующим формулам:

где щ_н— нижняя граница частот.

3. Расчетная часть Исходные данные к работе: U_п=5 В, R_вх= 6кОм, R_вых= 2кОм, f=100Гц-10кГц.

3.1 Расчет сопротивления в цепи эмиттера По известному эмпирическому соотношению Rэ=(0.4.0.8)Rн. Пусть для нашей схемы Rэ=0.5Rн. Тогда из формулы для расчета R_вых имеем:

При R_вых= 2кОм из формулы (3.1) определим Rэ и Rн:

Выбираем по ближайшему номинальному значению из ряда Е24.

Нашему выбору удовлетворяет резистор типа МЛТ-0,125 с параметрами для

3.2 Расчет входного сопротивления транзистора R_Б^VT.

R_Б^VT= (1+в)*Rэ (3.2)

Для современных транзисторов коэффициент в=20ч1000. Пусть в=50, то входное сопротивление составит :

R_Б^VT= (1+50)*3= 153 кОм

3.3 Расчет сопротивлений делителя:

По формуле (2.2) определим напряжение на эмиттере в режиме покоя:

По формуле (2.3) определим напряжение на базе транзистора в режиме покоя:

Запишем уравнение для сопротивлений делителей:

Входное сопротивление каскада равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенных RБ1, RБ2, R_Б^VT: R_вх=RБ1//RБ2// R_Б^VT. Откуда получаем еще одно соотношение для RБ1и RБ2:

Решаем систему уравнений (3.3) и (3.4), получаем:

Из ряда Е24 номинальных значений сопротивлений выбираем для RБ1и RБ2:

Нашему выбору удовлетворяют резисторы типа МЛТ-0,125 (постоянные металлопленочные лакированные теплостойкие, 0.125 — номинальная рассеиваемая мощность) с допуском на номинальное сопротивление 10%:

3.4 Расчет емкостей для ФВЧ для входа и выхода.

Емкость конденсаторов определяется по формулам (2.6) и (2.7), которая составила:

Выбираем емкости из ряда Е12 с запасом емкости:

Для данной схемы выбираем керамические конденсаторы емкостью 0,47мкФ: К15−5 Н70 (К — конденсатор постоянной емкости, 15 — керамические высоковольтный на номинальное напряжение до 1,6 кВ, Н70 — Группа ТКЕ) ±5%.

3.5 Выбор транзистора Выбранный транзистор должен удовлетворять следующим условиям:

Данным условиям удовлетворяет транзистор МП11А (Транзистор германиевый сплавной n-p-n усилительный низкочастотный с ненормированным коэффициентом шума на частоте 1 кГц. Предназначены для усиления сигналов низкой частоты. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами. Обозначение типа приводится на боковой поверхности корпуса. Масса транзистора не более 2 г.).

Заключение

Выполнив цель нашей курсовой работы, мы освоили навыки расчета электронных схем усилителей на транзисторах, поняли основные принципы работы этих схем.

Основные выводы по проделанной работе:

Не обладая усилением по напряжению, каскад с ОК обеспечивает значительное усиление по току, следствием этого является значительное усиление по мощности.

Каскад с ОК имеет достаточно высокое входное сопротивление, аналогичное входному сопротивлению каскада о ОЭ. При этом его выходное сопротивление очень мало, т. е., он особенно удобен для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой. На практике мы можем значительно повысить входное сопротивление (обычно гораздо больше, чем в каскаде с ОЭ), используя принцип следящей связи, описанный при рассмотрении усилителей с ОЭ. Малое выходное сопротивление делает каскад с ОК идеальным при согласовании с емкостной нагрузкой.

В первой части был рассмотрен теоретический материал, разобрана функциональная схема усилительного каскада с ОК. Во второй части была рассмотрена электрическая принципиальная схема эмиттерного повторителя. В третьей части были произведены расчет и выборка элементов схемы.

1) С. Г. Прохоров, В. Г. Трусенев «Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе: учебно-методическое пособие — Казань: КГТУ, 2011 г.

2)Пауль Хоровиц, Уинфилд Хилл «Искуство схемотехники» 5-е издание — М: «Мир», 2008 г

3) А. С. Касаткин, М. В. Немцов «Электротехника» учебник — М: «Академия», 2009г

4) Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. Пер. с нем. — М.: Мир, 2012 г.

5) В. В. Афанасьев, М. П. Данилаев, И. И. Нуреев, А. И. Усанов «Схемотехника аналоговых электронных устройств» метод. пособие — Казань: КГТУ, 2009 г.

Приложение электрическая принципиальная схема