Изучение работы однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе в линейном режиме. Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе с ОЭ
Типичная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис.3.4,а.
Входное усиливаемое переменное напряжение Uвх подводится ко входу усилителя через разделительный конденсатор С1. Конденсатор С1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы по постоянному току транзистора VT. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора VT, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением Rн через разделительный конденсатор С2. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока Iкр
Значения Iкр и других постоянных составляющих тока и напряжения в цепях транзистора зависят от режима его работы (начального положения рабочей точки).
Рабочей точкой транзистора называют точку пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических вольт-амперных характеристик. Режим работы транзистора определяется начальным положением рабочей точки (при отсутствии входного переменного сигнала). Это положение определяется на характеристиках совокупностью постоянных составляющих токов и напряжений в выходной IКр, UКЭр и входной IБр, UБЭр цепях (рис. 3.4, б, в).
При работе транзистора в активном (усилительном) режиме (класса А) рабочая точка должна находиться примерно посередине отрезка АВ нагрузочной прямой. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка АВ.
Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R1 и R2, значения сопротивлений которых определяются из соотношений:
где Iд = (2...5)IБр - ток в цепи делителя.
При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки (уменьшить влияние температуры на начальное положение рабочей точки). C этой целью в эмиттерную цепь введен резистор Rэ, на котором создается напряжение ООС по постоянному току URэ.
Для устранения ООС по переменному току (при наличии входного переменного сигнала) резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным.
17.Многокаскадный усилитель
В большинстве случаев одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому усилители, которые применяют в аппаратуре связи и измерительной технике, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо определить общий коэффициент усиления усилителя, искажения, вносимые им, распределять их по каскадам, определить требование к источникам, решить вопросы введения обратных связей и т.д.
2.
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ МНОГОКАСКАДНОГО
УСИЛИТЕЛЯ
Коэффициент усиления усилителя можно определить, исходя из структурной схемы (рис.1):
Кобщ = Uвых/Uвх = (Uвых/Un-1) … (U 3 /U 2)(U 2 /Uвх)=KnKn-1…K 2 K 1 или
Kобщ = K 1 K 2 …Kn e f( 1+ 2+…+ n)
где K 1 ,…, Kn – коэффициенты усиления каскадов, 1,…, n – фазовые сдвиги, вносимые каждым усилительным каскадом.
Таким образом, для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Сквозной коэффициент усиления
Kобщ = k вх K общ
где k вх =Zвх/(Zг + Zвх) – коэффициент передачи входной цепи. Если коэффициент усиления отдельных каскадов выразить в логарифмических единицах, то общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя будет равен сумме коэффициентов
K общ[дб] = K 1[дб] + … + K n [дб]
В аппаратуре связи для компенсации потери мощности на отдельных участках (затухания) необходимо, чтобы усилитель работал на согласованную нагрузку, т.е. его входное сопротивление должно быть равно сопротивлению источника (выходного сопротивления предыдущего тракта аппаратуры или линии), а выходное сопротивление должно равняться сопротивлению нагрузки. Для согласования усилителей по входу и выходу используют усилители с обратной связью и согласующие трансформаторы. Отклонение от согласования в рабочей полосе частот оценивается коэффициентом отражения
При использовании согласующих трансформаторов пересчитанное сопротивление нагрузки в первичную обмотку R ’ 1 = R н n 2 , где п- коэффициент трансформатора, т. е. отношение витков первичной обмотки к вторичной (рис. 2,а).
На рис.2,а имеем: U 2 =U 1 /n; I 2 =I 1 n 2 , тогда R н =U 2 /I 2 = (U 1 /I 1 )n 2
или R’ 1 = U 1 /I 1 =R н n 2 =R г. Отсюда с учетом потерь в трансформаторе коэффициент трансформации:
где n t – КПД трансформатора.
Применение
входного и выходного трансформаторов
позволяет достаточно просто осуществить
переход с симметричной схемы на
несимметричную (рис.2, б).
Классы усилительных каскадов
Рабочая точка покоя определяет режим работы каскада или класс усиления. В зависимости от положения рабочей точки различают три класса усиления:
Применяется в оконеч. каскадах большой мощности на избирательную нагрузку.
Усилители мощности.
Это обычно выходные каскады много каскадных усилителей. Они предназначены для увеличения нагрузочной способности и создания нагрузки сигнала заданной мощности. Такие усилители работают в режиме большого сигнала. Их основными параметрами являются:
Классификация усилителей мощности.
В зависимости от РТ класса А, АВ, В, С, Д.
В зависимости от связи между каскадами.
а) с трансформаторной связью
б) с без трансформаторной связью
В зависимости от схемы технического решения
а) однотактные
Практическая работа № 1
Изучение работы однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе в линейном режиме
Цель работы : наблюдение семейства ВАХ биполярного транзистора, работы усилителя в линейном диапазоне (режим малого сигнала), влияние элементов схемы на его характеристики .
Ход работы:
- Снять входные ВАХ транзистора (рис. 1). Изменяя при этом E к 0/30В.
- Заполнить таблицу.
- Снять выходные ВАХ (рис. 2) при изменение Ib 1/30 mA .
Схема 1
Входные характеристики:
Входные ВАХ транзистора при различных Ib
Рис. 1
Выходные характеристики:
Выходные ВАХ транзистора при различных
Рис. 2
- Нарисуйте энергитические диаграммы
р-п-р и п-р-п
транзисторов.
- Нарисуйте основные характеристики транзисторов при включении с общим эмиттером.
- Каковы основные преимущества и недостатки транзисторов по сравнению с электронными лампами?
- Какие марки транзисторов вы знаете?
Литература:
- Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, , М., 1970;
- «Кремниевые планарные транзисторы», под ред. Я. А. Федотова, М., 1973; 3 и С. М.,
Кучумов А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие для вузов М.: Гелиос АРВ, 2004. 335 с.
- Христич В.В. Электроника: Тексты лекций. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. 203 с.
- Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Изд. «СолонР», 2001. 726
В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора:с общей, с общим эмиттером, с общим коллектором.
В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.
Параметры транзистора в значительной степени зависят от температуры. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению рабочего режима транзистора в простой схеме усилителя при включении транзистора с общим эмиттером.
Для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры используют схемы эмиттерной стабилизации режима работы транзистора.
На рисунках 5.14 и 5.15 приведены схемы однокаскадных усилителей на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p типов с эмиттерной температурной стабилизацией режима работы транзистора.
Проследим цепи, по которым протекают постоянные токи в усилителе по схеме рисунка 5.14. Постоянный ток делителя напряжения протекает по цепи: плюс источника питания, резисторы R1, R2, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT1, резистор Rэ, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор RК, выводы коллектор-эмиттер транзистора, резистор Rэ, минус источника питания. Биполярный транзистор в составе усилителя работает в режиме, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор - в обратном. Поэтому постоянное напряжение на резисторе R2 будет равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1 и напряжения на резисторе Rэ:UR2=Uбэ+URэ. Отсюда следует, что постоянное напряжение на переходе база-эмиттер будет равноUбэ= UR2 - URэ.
Усилительные каскады могут быть построены по трем схемам включения транзистора ОЭ, ОК и ОБ. Наиболее распространенная схема усилительного каскада ОЭ на транзисторе п-р-п типаприведена на рис.6, а.
Переменное напряжение U вх , задаваемое источником входного сигнала с действующим значением ЭДС Е и и внутренним сопротивлением R и, подводится к входу усилителя через разделительный конденсатор С р1 .Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора, поступает в нагрузку R н через разделительный конденсатор С р2 . Конденсатор С р1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы транзистора. Конденсатор С р2 разделяет выходную коллекторную цепь от внешней нагрузки R н по постоянной составляющей коллекторного тока I ок . В области рабочих частот (для усиливаемого сигнала), сопротивления разделительных конденсаторов С р1 и С р2 очень малы и ими пренебрегают.
Режим по постоянному току устанавливается с помощью резисторов R 1 и R 2 . По известным значениям Е к и R K на семействе статических характеристик транзистора строят нагрузочную прямую. Рабочую точку на нагрузочной прямой задают начальным током базы I об , которая определяется напряжением смещения между базой и эмиттером, которое подается от общего источника питания Е к с делителя R 1 R 2 ,
Для улучшения температурной стабильности усилителя используют отрицательную обратную связь по постоянному току через резистор R э . Увеличение тока I б с повышением температуры приводит к увеличению тока I э и падения напряжения на резисторе R э . При этом напряжение на эмиттере становится более положительным относительно напряжения базы и эмиттерный переход смещается в обратном направлении. Это вызывает уменьшение базового тока I б , в результате чего ток возвращается к своему первоначальному значению. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току (для усиливаемого входного переменного сигнала) резистор R э шунтируют конденсатором С э, сопротивление которого на частоте сигнала должно быть незначительным.
Усилительный каскад ОЭ наряду с усилением входного синусоидального сигнала поворачивает его фазу на 180°С, т. е. входное и выходное напряжения усилителя противофазы.
| | | следующая лекция ==> | |
Министерство образования Республики Беларусь
ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. П.О.СУХОГО
наименование факультета _______АИС __________________
"УТВЕРЖДАЮ"
зав. кафедрой _____________
"______" _____________2002 г.
З А Д А Н И Е
по курсовому проектированию
Студенту Ильину Е. В. ПЭ- 21
1. Тема проекта Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе в схеме включения
с общим эмиттером. Фиксированный ток базы, мостовой выпрямитель ________________
2. Сроки сдачи студентом законченного проекта май-2002 __________________________
3. Исходные данные к проекту._________________________________________________ _____
_________________U н m=8.7 В .__________________________________________________ ______
_________________R н = 19 0 Ом .________________________________________________ ______
R к = 190 0 Ом .____ _____________________________________________ ______
R Г =240 Ом__________________________________________________ ______
fн=45 Гц__________________________________________________________
1. Определить координаты , Ек. Построить линии нагрузки. Выбрать транзстор__
2. Определить и элементы, обеспечивающие режим покоя ._ ________________
3. Графоаналитический расчет параметров усилителя _________________________________
5. Определить параметры усилителя Rвх, К u , К i через h-параметры.______________________
9. Построить временные диаграммы сигналов (частота 1кГц)____________________________
а) Ег(t), Uвх(t), Uб(t), Uэ(t); б) I б (t), I г (t); в) Iк(t), Iн(t), Iпит(t);_____________________
в) Uб(t), Uэ(t), Uк(t), Uн(t), Ек; д) U2(t), Uв(t), Uст(t)=Ек(t)._____________________________
11. Начертить схему электрическую принципиальную устройства_________________________
5. Перечень графического материала. __________________________________________________
Линии нагрузки, статические ВАХ транзистора, временные диаграммы сигналов,____ ________
схема электрическая принципиальая устройства.______________________________________
___________________________________________________________________________________
6. Консультанты по проекту (с указанием разделов проектов).______________________________
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
7. Календарный график работы над проектом на весь период проектирования _______________
__________________________________________________________________________________
Руководитель ______________
Задание принял к исполнению.
___________________________________________ (дата и подпись студента)
Исходные данные
1 Усилитель напряжения класса А на биполярном транзисторе в схеме включения с общим эмиттером.
N =8- номер варианта, r =3 - схема фиксированный ток базы.
Uнm=8.7 B - амплитуда напряжения на нагрузке;
Rн=1900 Оm - сопротивление нагрузки;
Rк=1900 Оm - сопротивление коллекторного резистора;
Rг=240 Om - сопротивление генератора (источника гармонического сигнала);
3 Мостовой выпрямитель и фильтр.
Расчет усилителя в схеме включения с ОЭ
1 Определить координаты точки покоя 0 , напряжение питания Ек. Построить статическую и динамическую линии нагрузки. Определить требования к транзистору по предельным параметрам и ВАХ. Выбрать транзистор.
Рассчитываем токи
Амплитуда тока нагрузки
Амплитуда тока резистора Rk
Амплитуда тока коллектора
Проверка для исключения дебютной ошибки:
Определяем эквивалентное сопротивление в цепи коллектора для переменной составляющей I к R кн =R к êêR н = (R к R н)/(R к +R н) и амплитуду тока коллектора Iкm=Uкm/Rкн.
Сопротивление на переменном токе 
Амплитуда тока коллектора 
Ток покоя выбирают из условия Iок>Iкm или Iок=Iкm+D I , где D I =1¸3 мA -минимальный ток коллектора.
Ток покоя коллектора Iok = Iкm +D I = 12 +2= 14 mA.
Напряжение покоя для исключения режима насыщения определяем из условия Uокэ>Uкm или Uокэ=Uкm+D U , где D U =2¸3 В -минимальное напряжение.
Напряжение покоя коллектор-эмиттер Uокэ=Uкm+DU= 3+1= 4 В.
Определяем напряжение питания:
Ек = Uокэ + Iок Rк =4 + 0.014 · 620 = 12.68 » 13 В.
Статическая линия нагрузки (СЛН) проходит через точки с координатами , и .
Напряжение U А – точка динамической нагрузки, прямая которая проходит через [Uокэ; Iок ]
U А =Uокэ+IокRкн= 4 + 0.014 · 250 = 7.5В.
Динамическая линия нагрузки (ДЛН) проходит через точки с координатами , и .
После построения линий нагрузки определяют предельные параметры транзистора:
Iк макс > UA/Rкн или Iк макс > Iок +Iкm, Uкэмакс > Ек, Ркмакс > Iок×Uокэ.
По расчитанным данным подбираем транзистор по справочнику.
Транзистор подбирается по следующему принципу:
I к max >I ок + I км = 14 + 12 =26 мА
U кэ max >Ек=13 В
P к max > U окэ × I ок = 14 × 4 = 56 мВт
Расчитанным данным удовлетворяет транзистор КТ312А (основные параметры которого см. Приложение А).
Построим статическую и динамическую линии нагрузки на отдельном листе, предварительно перенеся входные и выходные характеристики выбранного транзистора.
