Реферат усилительный каскад с общей базой

Обновлено: 05.07.2024

В приемниках (или в приемном тракте трансивера) часто невозможно обойтись бех усилителя высокой частоты, особенно в тех случаях, когда первый смеситель пассивный, например, кольцевой диодный или на электронных ключах. Но при благоприятных условиях приема не только принимаемый сигнал, но и сигналы соседних каналов могут достигать столь высокого уровня, что предусилитель с высоким коэффициентом усиления окажется перегруженным. В этих случаях УВЧ не нужен и его отключают, т.е. получается, что он или есть или его нет. Было-бы здорово иметь регулируемый УВЧ, усиление которого можно было бы менять или включив его в систему АРУ или вручную.

Давайте вспомним схемотехнику каскада с ОБ.

Одним из главных достоинств каскада с ОБ является наиболее полная реализация частотных свойств транзистора. Кроме того, низкое входное сопротивление каскада способствует снижению уровня шумов. Малое входное сопротивление усилительного каскада не позволяет шунтировать входной сигнал паразитными емкостями печатной платы и других электронных компонентов схемы. Кроме того, малая проходная емкость Cкэ, образованная последовательным включением эмиттерного и коллекторного переходов, уменьшает значение входной паразитной емкости схемы с общей базой. Все эти факторы приводят к исключительной широкополосности амплитудно-частотной характеристики данного каскада. Поэтому каскады с ОБ применяются практически только в высокочастотной технике, в том числе и в составе микросхем.

Рассмотрим схемотехнику каскада с ОБ (Рис. 2). На рисунке 2А схема с наиболее жесткой стабилизацией режима транзистора, который определяется делителем R3,R4 и наличием отрицательной обратной связи по постоянному току через резистор R1. Это позволяет при изменении напряжения питания оставлять ток через транзистор, а следовательно и его рабочую точку постоянным.

На рис. 2В в качестве нагрузки используется индуктивность. В качестве ее можно использовать дроссель, трансформатор, резонансный контур.

На рис. 2С используется коллекторная стабилизация, создающая дополнительную ООС и позволяющее сэкономить один резистор.

Собственно режим ОБ обеспечивает во всех трех схемах конденсатор С2, включенный между базой транзистора и общим проводом. Этот транзистор должен иметь малое сопротивление для переменного тока усиливаемого диапазона частот. При этом условии вывод базы по переменному току становиться общим для входного и выходного сигнала.

В этой схемы используется изменение положения рабочей точки транзистора КТ368, включенного по схеме с ОБ в составе каскодной схемы ОИ-ОБ. Диапазон регулирования - 20 дБ. Три таких каскада, включенных последовательно, дадут диапазон регулирования 60 дБ, что вполне достаточно. Но не в УВЧ. Кроме того, изменение рабочей точки транзистора может привести к возникновению ограничения или искажения сигнала, что приведет к появлению дополнительных помех.

Что же делать? Прочитав множество статей о каскадах с ОБ я в одной из них наткнулся на одну рекомендацию. Там в случае возникновения самовозбуждения рекомендовалось включить последовательно с конденсатором С2 (рис. 2) резистора с небольшим сопротивлением - от 10 до 50 Ом. А что значит сорвать самовозбуждение? Это чаще всего значит - уменьшить усиление.

И тут я вспомнил о регулировании усиления каскада ОЭ с помощью изменения глубины ООС :

Параллельно резистору R3, последовательно с С3 включен регулирующий элемент. При минимальном сопротивлении резистора R4 ООС минимальна, а Ку каскада максимален. При максимальном сопротивлении R3 ООС максимальна, а Ку минимален. Вместо резистора можно взять биполярный или полевой транзистор. При напряжении на базе (затворе) равном нулю сквозное сопротивление транзистора максимально, а усиление минимально. Открывая транзистор путем повышения напряжения на его базе (затворе), мы снижаем его сопротивление и увеличиваем усиление каскада.

Отсюда один шаг до схемы регулирования усиления усиления каскада с ОБ. Я собрал на макетке вот такую схемку:

На вход я подавал сигнал частотой 5 МГц с генератора. На R1.R2 собран аттенюатор. В качестве VT1 взял первый попавшийся "без фамилии" в пластиковом корпусе с коэффициентом усиления около 200. В качестве VT2 - КТ315Б с коэффициентом усиления около 150. К точке кт1 подключил вход одного канала осциллографа, другой канал - к выходу. К кт2 подключил цифровой вольтметр. Вот как это выглядело.

Подключил питание, покрутил ось переменного резистора и удостоверился, что работает!

Рис. 7. Осциллограммы входного (оранжевая кривая) и выходного (белая кривая) сигналов при напряжении в кт2 равном 0 В (слева) и 1,2 В (справа).

Как видно, при закрытом транзисторе выходное напряжение немного меньше входного, т.е. происходит ослабление входного сигнала. При открытом транзисторе выходное напряжение почти в 10 раз больше входного. Я построил регулировочную кривую при входном напряжении 50 мВ:

Оказалось, что при изменении напряжения в кт2 от 0,5 до 1,3 В выходное напряжение изменяется почти в 25 раз (более 25 дБ).

Безусловно, диапазон регулирования зависит от многих факторов: коэффициента усиления транзисторов, сопротивления нагрузки, соотношения сопротивления открытого транзистора и R4 (рис. 5). Но в любом случае такая возможность существует.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Содержание

Усилительные каскады переменного тока на биполярных транзисторах 2

Общие положения 2

Понятие о классах усиления усилительных каскадов 3

Метод расчета схем с нелинейным элементом 6

Усилитель ОЭ с фиксированным током базы 8

Стабилизация режима работы усилительных каскадов 14

Схема с фиксированным напряжением базы 17

Схемные методы стабилизации 19

Расчет параметров усилителя ОЭ по переменному току 22

Усилитель ОК (эмиттерный повторитель) 27

Усилитель ОБ 30

Усилительные каскады переменного тока на полевых транзисторах 32

Общие положения 32

Усилительный каскад по схеме с общим истоком 33

Истоковый повторитель 37

Усилительные каскады переменного тока на биполярных транзисторах

Общие положения

Характерной особенностью современных электронных усилителей является многообразие схем, по которым они могут быть спроектированы. Однако среди этого многообразия можно выделить наиболее типичные схемы, содержащие элементы и цепи, которые чаще всего встречаются в усилительных устройствах независимо от их функционального назначения.

Современные усилители выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-технологическими особенностями. Схемные же построения принципиальных отличий не имеют. Наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, использующие соответственно схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим истоком. Реже используются схемы включения с общим коллектором и общим стоком. Схемы включения с общей базой или общим затвором находят применение только в узком классе устройств, например во входных цепях радиоприемных устройств, работающих в диапазоне УКВ. Рассмотрение таких каскадов, в силу специфики построения, связанной с сильным влиянием на их свойства паразитных параметров реальной конструкции каскада, выходит за рамки настоящего курса.

В технической литературе наименование (обозначение) каскада усилителя производится в соответствии со схемой включения транзистора: усилитель ОЭ, ОК, ОБ, ОИ, ОС или ОЗ. В дальнейшем будут рассмотрены только принципы построения и основные параметры каскадов, использующих все схемы включения биполярных транзисторов и с ОИ, ОС – для полевых транзисторов.

Понятие о классах усиления усилительных каскадов

Режим работы усилителя определяется начальным положением рабочей точки (точки покоя) на сквозной динамической характеристике усилительного элемента, т.е. на зависимости выходного тока усилительного элемента от ЭДС (напряжения) входного сигнала. Вид типичной сквозной динамической характеристики показан на рисунке 4.1.

При невыполнении неравенства (4.5) и отсутствии входных характеристик исползуемого транзистора можно ориентировочно принять следующие значения UбэР для маломощных транзисторов:

0,2 – 0,3 В – для германиевого транзистора;

0,3 – 0,5 В – для кремниевого транзистора.

Можно также ориентировочно определить рабочий ток базы не прибегая к использованию выходной характеристики транзистора:

то практически вся переменная составляющая напряжения коллектора выделится на нагрузке.

Необходимо обратить внимание на изменение фазы сигнала в нагрузке. Увеличение входного сигнала приводит к росту тока базы и, соответственно, коллектора, росту падения напряжения на Rк и уменьшению падения напряжения на транзисторе. Уменьшение входного сигнала приводит к росту напряжения на транзисторе. Таким образом, выходной сигнал оказывается сдвинутым на 1800 (на радиан) относительно входного. Необходимо отметить, что в некоторых случаях нагрузка располагается в коллекторной цепи вместо Rк. В этом случае изменение ее напряжения совпадает с описанным выше изменением напряжения на Rк и инверсии выходного сигнала не происходит.

По полученным данным можно определить коэффициенты усиления усилителя:

В соответствии с рядом номиналов резисторов, принимаем Rк = 750 Ом, Rб = 22 кОм. Несовпадение номинала Rб по сравнению с расчетным значением приведет к некоторому увеличению тока покоя базы (IбР 682 мкА) изменению параметрами расчетной точки покоя:

IкР = 6,82 10-4 * 150 = 10,2 мА; UкэР = 15 – 750 * 10,2 10-2 = 7,35 В.

Изменения параметров рабочей точки незначительные. Однако, если при изготовлении конкретного экземпляра усилителя будет использован транзистор с предельными величинами статический коэффициент передачи тока, то режим может измениться существенно. Например, при использовании транзистора с h21Э = 50

IкР = 6,82 10-4 * 50 = 3,41 мА; UкэР = 15 – 750 * 3,41 10-3 12,4 В.

Если же h21Э = 250, то

IкР = 6,82 10-4 * 250 17 мА; UкэР = 15 – 750 * 17 10-3 2,3 В.

Как мы видим, изменения режима работы значительны.

К дестабилизирующим факторам, в первую очередь, следует отнести изменение температуры окружающей среды, вызывающей, во-первых, изменение обратного тока коллекторного перехода Iко, во-вторых, изменение напряжения эмиттерного перехода Uбэ транзистора, и, в – третьих, изменение его коэффициента передачи тока h21э. Все эти воздействия приводят к изменению коллекторного тока транзистора и, следовательно, изменению выходного напряжения усилительного каскада. Поэтому важнейшей задачей при проектировании транзисторных усилителей является обеспечение именно температурной стабилизации их режима работы. При таком подходе зачастую уменьшается влияние и других воздействий.

Рассмотрим схемные построения усилителей ОЭ, которые позволяют уменьшить воздействие дестабилизирующих факторов. Необходимо напомнить, что, несмотря на указанные выше недостатки, схему с фиксированным током базы очень широко используют. Это объясняется тем, что при малых амплитудах входного и выходного сигналов, смещение рабочей точки во многих случаях не имеет принципиального значения. Поэтому прежде чем браться за более сложную схему, необходимо проанализировать возможность использования простой.

Схема с фиксированным напряжением базы

Схема с фиксированным напряжением база-эмиттер приведена на рисунке 4.5. В этой схеме режим работы транзистора задается путем подачи постоянного смещающего напряжения на базу. Напряжение смещения формируется делителем напряжения источника питания на резисторах Rб1 и Rб2. Падение напряжения на резисторе Rб2, которое одновременно является напряжением эмиттерного перехода транзистора, должно быть таким, чтобы в базу поступал ток IбР (см. рисунок 4.4, а).

Через делитель идет ток Iд. Чем он больше, тем стабильнее схема, так как изменение тока базы будет слабо влиять на величину смещения. Однако следует иметь в виду, что ток делителя нельзя выбирать слишком большим, поскольку в делителе расходуется дополнительная энергия, и чем больше ток Iд, тем большее мощности источника питания будет расходоваться в этой вспомогательной цепи. Кроме того, в этом случае уменьшаются величины сопротивлений Rб1 и Rб2, что приводит к уменьшению входного сопротивления каскада и возрастанию нагрузки на источник сигнала. Обычно ток делителя выбирают в пределах (2. 10) IбР.

Рисунок 4.5. Усилитель ОЭ с фиксированным напряжением базы

Расчет сопротивлений делителя (после выбора его тока) проводится по формулам:

Величина шунтирующей емкости эмиттерного конденсатора находят из соотношения:

Ток делителя, также как для предшествующих схем, обычно выбирают в пределах (2. 10) IбР.

Схема эмиттерной стабилизации режима работы находит наиболее широкое применение, так как обеспечивает хорошую работоспособность усилительного каскада при изменении температуры на 70 – 100°С.

Расчет параметров усилителя ОЭ по переменному току

Для расчета необходимо составить эквивалентную схему каскада, в которую включают только элементы, в которых возникают токи и напряжения, обусловленные входным переменным сигналом. Эквивалентная схема строят на основе принципиальной, номиналы элементов которой определены при ее расчете по постоянному току. Продемонстрируем принцип ее составления для самой сложной из рассмотренных схем – усилителя с эмиттерной стабилизацией (рисунок 4.7).

4.8. Характеристики усилителя ОЭ в области низших и высших частот

Эквивалентная схема каскада для низших частот представлена на рисунке 4.10, а.

Рисунок 4.10. Эквивалентная схема усилителя ОЭ для низших (а) и высших (б) частот

По сравнению с исходной схемой рисунка 4.8. на ней исключены сопротивления источников питания и емкость коллекторного перехода в связи с незначительностью их влияния при низких частотах переменного сигнала. На передачу сигнала существенное влияние оказывают емкости Ср1, Ср2 и Сэ, реактивное сопротивление которых увеличивается. При этом разделительные емкости Ср1 и Ср2 препятствуют прохождению сигнала с входа каскада на его выход, уменьшая тем самым коэффициент усиления каскада в области низших частот.д.ействие блокирующей емкости несколько иное – в области низших частот она перестает шунтировать резистор, Rэ и коэффициент усиления каскада уменьшается за счет действия отрицательной обратной связи. Как было указано ранее, для количественной оценки уменьшения усиления используют коэффициент частотных искажений, который для рассматриваемой схемы с достаточной точностью можно определить по формуле:

где Мр1 – доля частотных искажений, приходящаяся на данную емкость, причем

где Ск – справочное значение емкости коллекторного перехода для схемы ОЭ.

Усилитель ОК (эмиттерный повторитель)

Схема усилителя ОК изображена на рисунке 4.11.

В отличие от усилителя по схеме ОЭ схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если на вход эмиттерного повторителя подать увеличивающееся напряжение, то это приведет к увеличению эмиттерного тока транзистора и соответствующему увеличению его выходного напряжения. Поэтому входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Переменное напряжение, снимаемое с Rнэ, через разделительный конденсатор Ср2 проникает в нагрузку. Эквивалентная схема каскада по переменному току представлена на рисунке 4.12.

Определим входное сопротивление транзистора подобно тому, как это было сделано в разделе 4.7:

где Rн экв – эквивалентное сопротивление нагрузки:

Считая, как и для предыдущих схем, что весь ток выходного электрода (эмиттера) идет в нагрузку, получаем выражение для определения коэффициента усиления по току:

то получим эквивалентную схему для средних частот (рисунок 4.14).

значительно меньше сопротивления резисторов делителя в цепи базы (rэ Rб1 и rэ Rб2).

Эквивалентное сопротивление нагрузки Rн экв определяется параллельным соединением Rк и Rн (см. выражение (4.25)). Поэтому, если rэ Rк и rэ Rк вх, то усилитель ОБ будет обладать очень большим коэффициентом усиления по напряжению:

Усилительные каскады переменного тока на полевых транзисторах

Общие положения

В построении и методах расчета усилителей на основе полевых транзисторов очень много общего с построением и расчетом усилителей на биполярных транзисторах. Также имеются три основных схемы, получивших названия в соответствии с электродом, который является общим для входной и выходной цепи: ОИ, ОС и ОЗ. Правда, последняя, с общим затвором практически не применяется, т.к при этом не удается использовать один из важнейших параметров полевых транзисторов – их большое входное сопротивление.

На усилительном каскаде с полевым транзистором можно обеспечить работу в любом из описанных ранее классов усиления. Аналогично, за исключением выходных каскадов в основном используется режим класса А, который мы и будем рассматривать.

Усилительные каскады на полевом транзисторе, прежде всего, применяют во входных каскадах усилителей. Объясняется это следующими преимуществами полевого транзистора перед биполярным:

большее входное сопротивление, что упрощает его согласование с высокоомным источником сигнала;

как правило, меньший коэффициент шума, что делает его более предпочтительным при усилении слабых сигналов;

большая собственная температурная стабильность режимов покоя.

Вместе с тем, каскады на полевых транзисторах обычно характеризуются меньшим коэффициентом усиления по напряжению, что и ограничивает их применение при построении промежуточных каскадов.

Также как и в предыдущем разделе, расчет каскады на полевых транзисторах для выбранной схемы проводит в три этапа:

определяют режим работы усилителя;

проводят расчет элементов принципиальной схемы по постоянному току;

определяют параметры усилителя по переменному току на основе эквивалентной схемы.

В последующем, чтобы обеспечить простоту и однозначность анализа будем рассматривать транзисторы с каналом п-типа, а заземленным в источнике питания будем считать его отрицательный полюс, относительно которого и будем определять все напряжения. При этих условиях напряжение на стоке должно быть положительным по сравнению с напряжением на истоке. (При р канале наоборот: заземляется положительный полюс и напряжение на стоке меньше, чем на истоке)

Схемотехнические решения, применяемые при построении каскадов на полевых транзисторах, во многом схожи с решениями, используемыми при построении каскадов на биполярных транзисторах. Имеется ряд особенностей полевых транзисторов, обусловленных, прежде всего, различиями входных характеристик трех типов полевых транзисторов и, кроме того, практически отсутствием тока затвора, на который обычно подается входной сигнал.

Усилительный каскад по схеме с общим истоком

Отличия входных (стокозатворных) характеристик разных типов полевых транзисторов, приводит к разным схемотехническим построениям усилительных каскадов на ПТ разных типов, касающихся, прежде всего, схем задания режима работы. В схемах на полевых транзисторах с управляющим р-п переходом напряжение на их затворе должно быть отрицательным по сравнению с напряжением на истоке. В этом случае обеспечивается закрытое (запертое) состояние перехода. На полевых транзисторах с изолированным затвором и встроенным каналом напряжение затвора может быть любым – как отрицательным, так и положительным по отношению к истоку. На полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом напряжение затвора может быть только положительным по отношению к истоку. Отсутствие входных токов на затвор позволяет обеспечить необходимое распределение напряжений только за счет внешних резисторов и схем их соединений.

На рисунке 5.1 приведены три типовые схемы усилителя ОИ, обеспечивающих получение выбранного режима работы на полевых транзисторах разных типов. Чертеж первой схемы является наиболее полным – на ней показаны разделительные конденсаторы, отделяющие по постоянному току каскад от источника сигнала и нагрузки. На последующих разделительные конденсаторы не приведены – вход и выход переменного сигнала показаны стрелками.

Рисунок 5.1. Усилительные каскады ОИ на полевых транзисторах

Наиболее общей является схема рисунка 5.1, б. Ее называют схемой с истоковой стабилизацией. Она подобна схеме рисунка 4.7, где изображен каскад с эмиттерной стабилизацией на биполярном транзисторе. Истоковая стабилизация может быть выполнена независимо от типа примененного полевого транзистора. Для того чтобы избежать уменьшения коэффициента усиления резистор Rи шунтируют конденсатором Си. Величина шунтирующей емкости эмиттерного конденсатора находят из соотношения, аналогичного (4.21):

где Iд, Iи – токи резистивного делителя и истока транзистора.

В схеме рисунка 5.1, а отсутствует делитель напряжения источника питания (Iд, = 0), поэтому она может быть использована для задания рабочей точки в транзисторах, работа которых возможна при отрицательных напряжениях на затворе. Такое включение называется схемой автоматической подачи смещения. Ее применение наиболее оптимально в каскадах на полевом транзисторе с управляющим р-п переходом.

Необходимо отметить, что все схемы позволяет обеспечить режим термокомпенсации (см. раздел 2.6). Для этого необходимо подать на затвор напряжение, соответствующее термокомпенсационной точке стокозатворной характеристики (см. рисунок 2.13). К сожалению, такой выбор рабочей точки не всегда возможен т.к зачастую необходимо работа при больших токах стока, чем ток соответствующий термокомпенсации.

Выбор типа полевого транзистора производится на основе тех же требований к его предельно допустимым параметрам, которые были сформулированы в предыдущей главе (выражения (4.10) – (4.13)) применительно к биполярному транзистору.

Для определения основных параметров каскада по переменному току обратимся к его схеме замещения, приведенной на рисунке 5.2, а. Данная схема справедлива для области средних частот. При ее формировании использованы все допущения, что и при составлении схемы усилителя ОЭ рисунка 5.9. Например, учтено соотношение (5.1). Опущены все емкости, которые характеризуют ПТ (см. эквивалентную схему ПТ рисунка 2.13).

Как и для усилителя на биполярном транзисторе, для количественной оценки уменьшения усиления используют коэффициент частотных искажений, который на нижних частотах с достаточной точностью можно определить по формуле (4.29). Эквивалентная постоянная времени

Сз и, Сз с, Сс и – справочное значение межэлектродных емкостей транзистора.

Схема усилительного каскада с общей базой представлена на рис.2.

Внешнее отличие от схемы с ОЭ заключается в том, что база транзистора через блокировочный конденсатор большой емкости С_б по переменному току соединена с общим проводом, а входной сигнал подается на эмиттер транзистора. Режим по постоянному току (рабочая точка) задается как и в схеме с ОЭ с помощью резисторов R₁, R₂, R_э. Назначение конденсаторов С₁, С₂ такое же, как и в каскаде ОЭ. Нагрузка для переменного тока, как и в случае каскада с ОЭ, образуется параллельным сопротивлением R_к R_н:

При определении усиления каскада учтем, что входное напряжение совпадает с напряжением эмиттер – база:

а выходное напряжение, создаваемое коллекторным током на сопротивлении , составляет

Усиление каскада с ОБ по напряжению равно усилению каскада с ОЭ, однако при включении транзистора по схеме ОБ фазы входного и выходного каскада совпадают.

Коэффициент усиления по току приблизительно равен 1, так как I_к I_э (входной ток - I_э,выходной - I_к).

Рис.2. усилительный каскад с ОБ

Ввиду малости входного сопротивления каскад с ОБ используются, в основном, как нагрузка каскада с малым выходным сопротивлением (каскадов с ОЭ или ОК).

Основными достоинствами каскада с ОБ являются хорошие частотные свойства. При включении транзистора по схеме с ОБ граничная частота возрастает в h₂₁ раз по сравнению с каскадом с ОЭ. Также из – за того, что база транзистора в включении с ОБ соединена с общей точкой, то исключается паразитная обратная связь через емкость p-n перехода база – коллектор.

Каскад ОБ широко применяется в усилителях и генераторах дециметровых и сантиметровых волн.

Основные свойства усилителя по схеме с общей базой:

1) коэффициент усиления равен абсолютному значению коэффициента усиления каскада с ОЭ при равных условиях;

2) коэффициент усиления тока близок к единице;

3) входная проводимость практически равна крутизне транзистора;

4) выходная проводимость зависит от условий на входе и максимальна в режиме короткого замыкания на входе.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХАРАМЕТРОВ

ТРАНЗИСТОРНЫХ КАСКАДОВ ПО СХЕМАМ С ОЭ, ОК, ОБ

Сравнительный анализ свойств усилителей по схемам с ОЭ, ОК и ОБ приведен в таблице 1.

1.Усилители с ОЭ и ОБ имеют равные по модулю коэффициенты усиления напряжения, а схема с ОК 0 .

3. Из всех усилителей схема с ОК обладает наибольшим входным сопротивлением, а схема с ОБ – наименьшим.

4. Схема усилителя с ОК имеет самое малое из всех схем выходное сопротивление.

5. Коэффициенты усиления по току схем с ОЭ и ОК примерно одинаковы, а схемы с ОБ не превышает единицы.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 3
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 4
I УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 5
1.1 Типы усилителей 6
1.2 Основные характеристики и параметры 8
II ТРАНЗИСТОРЫ 10
2.1 Классификация 10
2.2 Схемы включения транзисторов 12
2.3 Статистические характеристики биполярных транзисторов 13
III УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 17
3.1 Режимы работы 17
3.2 Каскад с общим эмиттером 20
3.3 Основные расчетные формулы 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26
ПРИЛОЖЕНИЕ 27
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Прикрепленные файлы: 1 файл

схемотехника.docx

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 4

I УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 5

1.1 Типы усилителей 6

1.2 Основные характеристики и параметры 8

II ТРАНЗИСТОРЫ 10

2.1 Классификация 10

2.2 Схемы включения транзисторов 12

2.3 Статистические характеристики биполярных транзисторов 13

III УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 17

3.1 Режимы работы 17

3.2 Каскад с общим эмиттером 20

3.3 Основные расчетные формулы 22

ВВЕДЕНИЕ

В современной электронике все большая роль отводится использованию достижений цифровой и аналоговой микросхемотехники. Устройства 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. 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, даже если ему и не приходится в реальной жизни проектировать схемы.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

В ходе выполнения данной курсовой работы необходимо изучить усилители и транзисторы. Затем необходимо разработать схему каскадного усилителя с общим эмиттером. Произвести расчеты по данным формулам и построить АЧХ характеристику для данного каскада.

Исходные данные:

I УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала.

Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

Управляющий источник электрической энергии, от которого усиливаемые электрические колебания поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания вводятся - входной цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, называется основным источником питания. Устройство, являющееся потребителем усиленных электрических колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой подключается нагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.

Усилители электрических сигналов, применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.

1.1 Типы усилителей

Усилители делятся на ряд типов по различным признакам.

По роду усиливаемых электрических сигналов усилители можно разделить на две группы:

усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя.
усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной величины и формы.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:

По характеру зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты различают:

Резонансные усилители, у которых усиление изменяется с частотой сигнала по кривой, связанной с законом изменения сопротивления параллельного резонансного контура.
Полосовые усилители, у которых усиление почти постоянно в определенной узкой полосе частот и резко падает за ее пределами; резонансные усилители и полосовые усилители с узкой полосой рабочих частот также называют избирательными или селективными усилителями.
Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот, порядка нескольких мегагерц и больше.

Из трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет вспомогательную роль.

1.2 Основные характеристики и параметры

Основной параметр – коэффициент усиления:

по напряжению

Амплитудная характеристика

Uвых = f(Uвх)w=const

Рисунок 1. Амплитудная характеристика усилителя

1 – область внутренних шумов усилителя. Даже при отсутствии входного сигнала на выходе присутствует хаотический шумовой сигнал. Шумы обусловлены температурными шумами элементов (тепловой шум), дискретной природой электричества (квантовый), избыточными шумами АЭ. Внутренние шумы ограничивают возможность усиления слабых сигналов снизу. Для уменьшения тепловых шумов активные элементы охлаждают (жидким гелием, азотом).

2 – область линейного усиления. Uвх = kuUвх, tga Þ k u

3 – область ограничения выходного сигнала (нелинейных искажений выходного сигнала). Ограничение обусловлено либо мощностью источника питания, либо нелинейностью ВАХ активного элемента.

II ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор – радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике. В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ).

2.1 Классификация транзисторов

По основному полупроводниковому материалу:

По структуре:

В биполярном транзисторе носители заряда движутся от эмиттера через тонкую базу к коллектору. База отделена от эмиттера и коллектора p–n переходами. Ток протекает через транзистор лишь тогда, когда носители заряда инжектируются из эмиттера в базу через p–n переход. В базе они являются неосновными носителями заряда и легко проникают через другой pn переход между базой и коллектором, ускоряясь при этом. В самой базе носители заряда движутся за счет диффузионного механизма, поэтому база должна быть достаточно тонкой. Управления током между эмиттером и коллектором осуществляется изменением напряжения между базой и эмиттером, от которой зависят условия инжекции носителей заряда в базу.

- с изолированным затвором — МДП-транзистор.

В полевом транзисторе ток протекает от истока до стока через канал под затвором. Канал существует в легированном полупроводнике в промежутке между затвором и нелегированной подложкой, в которой нет носителей заряда, и она не может проводить ток. Преимущественно под затвором существует область обеднения, в которой тоже нет носителей заряда благодаря образованию между легированным полупроводником и металлическим затвором контакта Шоттки. Таким образом, ширина канала ограничена пространством между подложкой и областью обеднения. Приложенное к затвору напряжение увеличивает или уменьшает ширину области обеднения и, тем самым, ширину канала, контролируя ток.

Последний тип схемы усилителя на биполярном транзисторе (рисунок ниже), который мы должны изучить, это схема с общей базой. Эта конфигурация сложнее двух предыдущих и менее распространена из-за своих странных рабочих характеристик.

Усилитель с общей базой (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Она называется схемой с общей базой, поскольку (игнорируя источники питания постоянного напряжения) источник сигнала и нагрузка делят между собой вывод базы как общую точку (рисунок ниже).

Усилитель с общей базой: вход между эмиттером и базой, выход между коллектором и базой

Возможно, наиболее яркой характеристикой этого типа включения транзистора является то, что источник входного сигнала обеспечивать полный ток эмиттера транзистора, о чём свидетельствуют толстые стрелки на первой иллюстрации. Как известно, ток эмиттера больше, чем любой другой ток в транзисторе, так как является суммой токов базы и коллектора. В последних двух типах усилительных каскадов источник сигнала был подключен к выводу базы транзистора, таким образом, работая на минимально возможном токе.

Поскольку в этой схеме входной ток превышает все другие токи, включая выходной ток, коэффициент усиления по току на самом деле меньше 1 (обратите внимание, как R_нагр подключен к коллектору, тем самым пропуская через себя немного меньший ток, чем источник сигнала). Другими словами, эта схема ослабляет ток, а не усиливает его. В схемах с общим эмиттером и общим коллектором из всех параметров транзистора с усилением тесно был связан β. В схеме с общей базой нам нужен другой основной параметр транзистора: отношение тока коллектора к току эмиттера, который представляет собой дробное число, всегда меньше 1. Это дробное значение для любого транзистора называется коэффициентом α (альфа).

Поскольку данная схема, очевидно, не может повысить ток сигнала, было бы разумным ожидать, что она увеличит напряжение сигнала. Моделирование SPICE схемы на рисунке ниже подтвердит это предположение.

Схема с общей базой для SPICE анализа по постоянному току Усилитель с общей базой: график зависимости выходного напряжения от входного напряжения

Обратите внимание, что выходное напряжение изменяется практически от нуля (отсечка) до 15,75 вольт (насыщение), при этом входное напряжение меняется от 0,6 вольта до 1,2 вольта. Фактически, график выходного напряжения не показывает роста примерно до 0,7 вольта на входе и прекращает расти (выпрямляется) примерно при 1,12 вольта на входе. Это показывает довольно большой коэффициент усиления по напряжению с интервалом выходных напряжений 15,75 вольт и интервалом входных напряжений всего 0,42 вольт: коэффициент усиления составляет 37,5 раз, или 31,48 дБ. Также обратите внимание на то, как при насыщении выходное напряжение (измеренное на R_нагр) на самом деле превышает напряжение источника питания (15 вольт) из-за эффекта последовательного добавления источника входного напряжения.

Второй SPICE анализ модифицированной схемы (рисунок ниже) с источником сигнала переменного напряжения (и постоянным напряжением смещения) говорит о том же: о высоком коэффициенте усиления по напряжению.

Схема с общей базой для SPICE анализа по переменному току

Как вы можете видеть, входной и выходной сигналы на рисунке ниже синфазны друг с другом. Это говорит о том, что усилитель с общей базой является неинвертирующим.

Усилительный каскад с общей базой: осциллограммы входного и выходного напряжений

SPICE анализ по переменному току в таблице ниже на одной частоте 2 кГц предоставляет данные о входном и выходном напряжениях для расчета коэффициента усиления.

AC анализ схемы с общей базой на частоте 2 кГц: список соединений и выходные данные

Значения напряжений из второго анализа (таблица выше) показывают коэффициент усиления по напряжению 42,74 (4,274 В / 0.1 В), или 32,617 дБ:

Вот еще один вид схемы с общей базой (рисунок ниже), на которой видны фазы и смещения по постоянному напряжению для разны сигналов в только что промоделированной схеме.

Соотношения фаз и смещений в усилителе на NPN транзисторе с общей базой

То же самое для PNP транзистора (рисунок ниже).

Соотношения фаз и смещений в усилителе на PNP транзисторе с общей базой

Для схемы усилителя с общей базой определить заранее коэффициент усиления по напряжению довольно сложно, что связано с аппроксимацией поведения транзистора, которое трудно измерить напрямую. В отличие от других типов усилительных схема, где коэффициент усиления по напряжению либо устанавливается соотношением двух резисторов (в схеме с общим эмиттером), либо фиксировался на неизменном значении (схема с общим коллектором), коэффициент усиления по напряжению в схеме с общей базой зависит во многом от величины напряжения смещения входного сигнала. Как выясняется, внутреннее сопротивление транзистора между эмиттером и базой играет важную роль в определении коэффициента усиления по напряжению, и это сопротивление изменяется в зависимости от величины тока, протекающего через эмиттер.

Хотя это явление трудно объяснить, его довольно легко продемонстрировать с помощью компьютерного моделирования. Я собираюсь запустить несколько SPICE моделирований схемы усилителя с общей базой (предыдущий рисунок), слегка изменив постоянное напряжение смещения ( vbias в коде ниже), оставив теми же амплитуду входного сигнала переменного напряжения и все остальные параметры схемы. Когда в разных моделированиях коэффициент усиления по напряжению будет меняться, это будет заметно по разным амплитудам выходного напряжения.

Список соединений SPICE (слева): Схема усилителя с общей базой, функция передачи (коэффициент усиления по напряжению) для различных постоянных напряжений смещения. Обратите внимание на оператор .tf v(4) vin .
Список соединений SPICE (справа): Схема усилителя с общей базой, коэффициент усиления по току; функция передачи для коэффициента усиления по постоянному току равна I(v1)/Iin . Обратите внимание на оператор .tf I(v1) Iin

Командная строка spice -b filename.cir благодаря оператору .tf выводит следующие данные: transfer_function (коэффициент передачи), output_impedance (выходное сопротивление) и input_impedance (входное сопротивление). Сокращенный вывод команды, запущенной для напряжений смещения vbias 0.85, 0.90, 0.95, 1.00 вольт, приведен ниже

Вывод SPICE: коэффициент передачи схемы с общей базой:

Тенденция в списке выше должна быть очевидна. С увеличением постоянного напряжения смещения также увеличивается и коэффициент усиления по напряжению ( transfer_function ). Мы видим, что коэффициент усиления по напряжению увеличивается, потому что каждео последующее моделирование ( vbias = 0.85, 0.8753, 0.90, 0.95, 1.00 В) дает больший коэффициент усиления ( transfer_function = 37.6, 39.4 40.8, 42.7, 44.0) соответственно. Эти изменения во многом обусловлены незначительными изменениями напряжения смещения.

Последние три строки в списке соединений выше (справа) показывают коэффициент усиления по току I(v1)/Iin = 0,99 (последние две строки выглядят неправильными). Это имеет смысл для β=100; α= β/(β+1), α=0.99=100/(100-1). Это сочетание низкого коэффициента усиления по току (всегда меньше 1) и несколько непредсказуемого коэффициента усиления по напряжению говорит не в пользу схемы с общей базой, оставляя ей лишь несколько вариантов практических применений.

Читайте также: