Расчет усилительного резистивного каскада на биполярных транзисторах - ABCD42.RU

Расчет усилительного резистивного каскада на биполярных транзисторах

Транзисторный усилительный каскад. Расчет. Схема. Проектирование. Биполярный транзистор. Рассчитать онлайн. Формулы.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе. Схема. Расчет. (10+)

Усилительный каскад на биполярном транзисторе. Расчет

Чтобы спроектировать усилительный каскад на биполярном транзисторе, необходимо понять, какие параметры мы хотим от него получить. Нам нужно задать коэффициент усиления по напряжению каскада, амплитуду входного сигнала, желаемое выходное сопротивление. На основе этих данных мы можем выбрать биполярный транзистор, который нам подойдет по току коллектора и рассеиваемой мощности. Опираясь на характеристики выбранного транзистора, можно задать его оптимальный режим работы. И наконец на основе этих данных рассчитать номиналы резисторов в схеме.

Мы приведем в статье пример расчета одной из наиболее удачных схем однотактного усилительного каскада на биполярном транзисторе. На второй странице статьи Вы можете ознакомиться с усилительным каскадом на двух биполярных транзисторах, который применяем мы. Эта схема обладает целым рядом преимуществ. На ее основе мы спроектировали несколько хороших усилителей звуковой частоты.

Классический транзисторный усилительный каскад

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Принципиальная схема

Но пока вернемся к классической схеме.

Это усилитель с общим эмиттером, резистором обратной связи в цепи эмиттера и следящей связью, исключающей влияние цепей смещения на входное сопротивление усилительного каскада. Такая схема, благодаря глубокой обратной связи через эмиттерный резистор, обладает хорошими параметрами, высокой линейностью, температурной стабильностью и малыми искажениями сигнала.

Дифференциальное (динамическое) сопротивление перехода база — эмиттер в рекомендуемых режимах работы транзистора очень низкое. Это значит, что падение напряжения на этом переходе практически не зависит от тока через этот переход. Это падение напряжения называют напряжением насыщения база — эмиттер. В своих расчетах мы будем исходить из того, что напряжение на базе транзистора в этом каскаде равно напряжению на эмиттере плюс напряжение насыщения база — эмиттер. Тогда:

Базовые формулы

[Входное сопротивление, кОм] = [Сопротивление резистора R5, кОм] * ([Коэффициент передачи тока транзистора VT1] + 1)

[Коэффициент усиления по напряжению] = ([Сопротивление резистора R4, кОм] * [Коэффициент передачи тока транзистора VT1]) / ([Сопротивление резистора R5, кОм] * ([Коэффициент передачи тока транзистора VT1] + 1))

[Выходное сопротивление, кОм] = [Сопротивление резистора R4, кОм]

Порядок расчета

Задав необходимое выходное сопротивление, мы получаем сопротивление резистора R4. Зная амплитуду входного сигнала и коэффициент усиления, мы можем вычислить амплитуду выходного сигнала, а следовательно, амплитуду изменение силы тока через резистор R4.

[Амплитуда силы тока через R4, мА] = [Амплитуда входного сигнала, В] * [Коэффициент усиления по напряжению] / [Сопротивление резистора R4, кОм]

[Сопротивление резистора R5, кОм] = ([Сопротивление резистора R4, кОм] * [Коэффициент передачи тока транзистора VT1]) / ( [Коэффициент усиления по напряжению] * ([Коэффициент передачи тока транзистора VT1] + 1))

Рабочая точка транзистора обычно выбирается так, чтобы удовлетворять двум условиям. Во-первых, ток коллектора транзистора при нулевом входном сигнале (ток покоя) должен быть по крайней мере на 20% больше максимальной амплитуды тока через R4. Во-вторых, ток покоя должен быть таким, чтобы для конкретного типа транзистора при таком токе коэффициент передачи тока не зависел от тока коллектора.

При малых входных сигналах преобладает второе требование, при больших — первое. В справочной литературе по биполярным транзисторам приводятся графики зависимости коэффициента передачи тока от тока коллектора. Нужно найти на этих графиках горизонтальный участок.

Итак, ток покоя выбран.

[Напряжение питания, В] >= [Ток покоя, мА] * ([Сопротивление резистора R4, кОм] + [Сопротивление резистора R5, кОм]) + 1.2 * [Амплитуда входного сигнала, В] * [Коэффициент усиления по напряжению]

Напряжением насыщения коллектор — эмиттер пренебрегаем, так как запас 20% перекрывает это значение. В выражении стоит знак ‘больше или равно’, это означает, что напряжение питания можно выбирать довольно произвольно не меньше, чем расчетное, с учетом предельных параметров транзистора.

[Мощность, рассеиваемая транзистором, мВт] = [Ток покоя, мА] * ([Напряжение питания, В] — [Ток покоя, мА] * [Сопротивление резистора R4, кОм] — [Напряжение на R5, В])

Мощностью, рассеиваемой в цепи базы пренебрегаем.

Цепь подачи смещения

Резисторы R1, R2, R3 обеспечивают смещение, то есть тот самый ток покоя. Рассчитаем падение напряжения на резисторе R5 при токе покоя.

[Напряжение на R5, В] = [Сопротивление резистора R5, кОм] * [Ток покоя, мА] * (1 + 1 /[Коэффициент передачи тока транзистора VT1])

[Напряжение смещения на базе VT1, В] = [Напряжение на R5, В] + [Напряжение насыщения база — эмиттер, В]

[Ток смещения базы VT1, мА] = [Ток покоя, мА] / [Коэффициент передачи тока транзистора VT1]

Сопротивление резисторов R2 и R3 выбираем равными друг другу и равными десяти сопротивлениям R5

[Сопротивление резистора R1, кОм] = [Сопротивление резистора R2, кОм] * ([Напряжение питания, В] / [Напряжение смещения на базе VT1, В] — [Ток смещения базы VT1, мА] * [Сопротивление резистора R3, кОм] / [Напряжение смещения на базе VT1, В] — 1) / (1 + [Ток смещения базы VT1, мА] * [Сопротивление резистора R3, кОм] / [Напряжение смещения на базе VT1, В] + [Ток смещения базы VT1, мА] * [Сопротивление резистора R2, кОм] / [Напряжение смещения на базе VT1, В])

Конденсатор C2 выбирается возможно большей емкости, например, 10 000 мкФ. Его лучше зашунтировать керамическим конденсатором для компенсации внутренней индуктивности. Конденсатор C1 лучше также выбрать большой емкости.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы.

Транзисторный УМЗЧ высокого качества. Усилитель мощности низкой, звуко.
Высококачественный УМЗЧ на биполярных транзисторах. Схема для сборки своими рука.

Особенности проектирования транзисторных усилителей. Разработка усилит.
Особенности проектирования транзисторных усилителей. Проблемы схемотехники бипол.

Дифференциальный усилитель, усилительный каскад — схемы. Усиление разн.
Схемы и характеристики дифференциальных усилителей на дискретных элементах и на .

Светомузыка, светомузыкальная приставка своими руками. Схема, конструк.
Как самому собрать свето-музыку. Оригинальная конструкция свето-музыкальной сист.

Полумостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, .
Как работает полу-мостовой стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание.

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:

Читайте также  Культура, как фактор социальных изменений
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.

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 без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Резистивный каскад на биполярном транзисторе

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис. 2. Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении RK. Разделительный конденсатор Сp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Сp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор RБ в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

Рис. 2. Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером

Для выяснения роли резистора RБ обратимся к рис. 3, иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером. В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин.

Um ВХ I Б m IК m IК m RК (Um КЭ = EК — IК m RК ) = U m ВЫХ

Действительно, рассматривая вначале рис. 3, а, а затем рис. 3, б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой (Um ВХ=UБЭ m) синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе.

Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частном случае сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Рис. 3. Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку (точку покоя) П следует располагать в середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора (режим усиления класса А). Из рис. 3, б видно, что положение рабочей точки П соответствует току смещения в цепи базы IБП . Для получения выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор RБ в схеме рис. 2.

Схема, приведенная на рис. 2, получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора RБ (десятки кОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра β даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе (рис. 4). В этой схеме резисторы R’Б и R»Б , подключенные параллельно источнику питания ЕК , составляют делитель напряжения.

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения.

Рис. 4. Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

Сопротивление R»Б делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что R’Б и R»Б включены параллельно друг другу. Поэтому делитель, образованный резисторами R’Б и R»Б должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких кОм). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым.

Читайте также  История частушки. Частушка на этапах российской и советской истории

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы, — влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, приведенная на рис. 5. В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора R»Б, включено напряжение, возникающее на резисторе RЭ при прохождении через него тока эмиттера. Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как IЭ =IК+IБ, то увеличение тока IК приведет к увеличению тока эмиттера IЭ и падению напряжения на резисторе RЭ. В результате напряжение между эмиттером и базой UБЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы IБ, а следовательно, и тока IК.

Наоборот, если по какой либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе RЭ, а прямое напряжение UБЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.

Рис. 5. Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

В большинстве случаев резистор RЭ шунтируется конденсатором CЭ достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора RЭ.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Усилительный каскад на биполярном транзисторе. Расчёты основных параметров

Усилительный каскад должен содержать транзистор, источник электри­ческой энергии и вспомогательные элементы. Во входную цепь включа­ется источник сигнала, а в выходную – нагрузка. В дальнейшем будем описывать источник сигнала в виде генератора с напряжением er и внут­ренним сопротивлением Rr, а нагрузку – резистором Rн .

На рис. 4.16 приведена схема усилительного каскада с ОЭ.

Полярность источника питания EK обеспечивает работу транзистора в активном режиме. Резисторы RБ и RК задают требуемые постоянные со­ставляющие токов в цепях транзистора и постоянные напряжения на его электродах – рабочую точку транзистора. От выбора рабочей точки зави­сит усиление каскада, КПД, искажения сигнала. Для того, чтобы источник сигнала и нагрузка не влияли на режим работы транзистора по постоян­ному току, включены разделительные конденсаторы C1 и C2, имеющие в рабочем диапазоне частот малые сопротивления.

В рассматриваемой схеме постоянные составляющие токов и напряже­ний определяются следующими выражениями:

Будем считать, что источник сигнала по отношению к транзистору яв­ляется генератором тока iГ ≈iГmsinωt, где iГm= EГm/ RГ. Тогда полный вход­ной ток транзистора можно определить:

IБ = IБ(0) + iГmsinωt. (4.13)

Сопротивление нагрузки – RH >> RK.

Для описания работы транзистора воспользуемся семейством выход­ных характеристик (рис. 4.17) iK = f(iБ,uкэ).

Рис. 4.17

Учитывая, что характеристика резистора RK подчиняется закону Ома, получим iK= (Eк -uКЭ)/RК где (Eк -uКЭ) – падение напряжения на резисторе RK. Это уравнение называется уравнением нагрузочной линии. Её график имеет вид прямой линии, проходящей через точку EK на оси абсцисс и че­рез точку EK/RK на оси ординат.

Поскольку через транзистор и RKпротекает один и тот же ток iK, то его величина и напряжение UКЭ могут быть найдены путем решения системы уравнений:

Эта система уравнений может быть решена графически, путём нахож­дения точек пересечения нагрузочной линии с графиками выходных харак­теристик транзистора.

Для определения параметров режима по постоянному току примем er= 0. Тогда значения постоянной составляющей тока коллектора Ik(0) и на­пря­же­ния UКЭ(0) определяются пересечением нагрузочной линии и стати­стической характеристики транзистора, снятой при iБ = IБ(0) – точка А (рис. 4.17).

При подаче на вход каскада напряжения er ток базы будет изменяться относительно IБ(0) по синусоидальному закону с амплитудой IБm=EГm /RГ и рабочая точка будет перемещаться по нагрузочной линии между точками B и С. Соответственно будет изменяться ток коллектора с амплитудой IKm около значения IК(0) и напряжение на коллекторе с амплитудой UKm около значения UКЭ(0). При этом ток коллектора iK будет находиться в фазе с то­ком базы iБ, а выходное напряжение UКЭ в противофазе (увеличению тока базы соответствует увеличение тока коллектора и уменьшение напряже­ния на коллекторе (рис. 4.17).

Для определения входного напряжения UБЭ необходимо воспользо­ваться входной характеристикой транзистора IБ = f(UБЭ) при UКЭ = UK(0), при­веденной на рис. 4.18.

Постоянному току IБ(0) соответствует постоянное напряжение UБ(0). При изменении тока базы с амплитудой IБm входное напряжение изменя­ется с амплитудой UБm. Обратим внимание на то, что выходное напряже­ние в данном каскаде (ОЭ) противофазно входному.

Определив с помощью графических построений амплитуды входных и выходных сигналов,

UВХ.m = UБm, IВХ.m = IБm, UВЫХ.m = UKm, IВЫХ.m = IKm,

можно рассчитать основные параметры усилительного каскада:

где Uвых.mХ.Х – выходное напряжение при RН→∞; Iвых.mХ.Х – выходной ток при RН = 0; η=Pвых/P – коэффициент полезного действия, где P = IK(0)EK – потреб­ляемая от источника питания мощность.

Параметры усилительного каскада можно рассчитать и с помощью схемы замещения транзистора.

Для примера проведем расчёт усилительного каскада (рис. 4.16).

Составим малосигнальную эквивалентную схему, соответствующую схеме рис. 4.16.

Для этого заменим транзистор малосигнальной схемой замещения.

Для простоты примем, что сопротивления разделительных конденсато­ров в рабочем диапазоне частот близки к нулю, а сопротивления RБ и RК велики (RБ >> h11Э, RK>> RH). Тогда схема упрощается и приобретает вид рис. 4.19.

Для токов и напряжений транзистора запишем

UБm = h11ЭIБm + h12ЭUKm,

IKm = h21ЭIБm + h22ЭUKm. (4.15)

Добавим два уравнения, описывающие источник сигнала и нагрузку:

Из системы уравнений (4.15) и (4.16) можно получить все расчётные формулы:

где Δh=h22Эh11Э-h12Эh21Э– определитель матрицы h-параметров.

Расчет усилительного резистивного каскада на биполярных транзисторах

Трейдинг криптовалют на полном автомате по криптосигналам. Сигналы из первых рук от мощного торгового робота и команды из реальных профессиональных трейдеров с опытом трейдинга более 7 лет. Удобная система мгновенных уведомлений о новых сигналах в Телеграмм. Сопровождение сделок и индивидуальная помощь каждому. Сигналы просты для понимания как для начинающих, так и для опытных трейдеров. Акция. Посетителям нашего сайта первый месяц абсолютно бесплатно .

Наиболее важное назначение электронных приборов — усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями.

Усилитель (рис. 1) — это электронное устройство, управляющее энергией, поступающей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощнос

ти, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

Рис. 1. Схематичное представление работы усилителя

Усилительные устройства широко используются в автоматике и телемеханике, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, бытовой радиоаппаратуре и т.д.

Важнейшими техническими показателями являются: коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, частотные, фазовые и нелинейные искажения.

Большинство источников усиливаемого сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т.к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, входят предварительные каскады усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером (ОЭ), которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора.

Резистивный каскад на биполярном транзисторе

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис. 2. Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении RK. Разделительный конденсатор Сp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Сp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор RБ в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

Читайте также  Развитие торговли в Западной Европе в Средние века

Рис. 2. Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером

Для выяснения роли резистора RБ обратимся к рис. 3, иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером. В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин.

Um ВХ I Б m IК m IК m RК (Um КЭ = EК — IК m RК ) = U m ВЫХ

Действительно, рассматривая вначале рис. 3, а, а затем рис. 3, б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой (Um ВХ=UБЭ m) синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе.

Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частном случае сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Рис. 3. Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку (точку покоя) П следует располагать в середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора (режим усиления класса А). Из рис. 3, б видно, что положение рабочей точки П соответствует току смещения в цепи базы IБП . Для получения выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор RБ в схеме рис. 2.

Схема, приведенная на рис. 2, получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора RБ (десятки кОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра β даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе (рис. 4). В этой схеме резисторы R’Б и R»Б , подключенные параллельно источнику питания ЕК , составляют делитель напряжения.

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения.

Рис. 4. Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

Сопротивление R»Б делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что R’Б и R»Б включены параллельно друг другу. Поэтому делитель, образованный резисторами R’Б и R»Б должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких кОм). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым.

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы, — влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.

“Расчет схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе”

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Информационных Технологий Механики и Оптики

«Электроника и микропроцессорная техника»

“Расчет схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе”

Цель работы: Рассчитать схему усилительного каскада на биполярном транзисторе (БТ) по заданному электрическому режиму транзистора IK0, UКЭ0 и нижней граничной частоте рабочего диапазона частот fН. ГР., при коэффициенте частотных искажений не хуже МН. ГР. = МВ. ГР. = 3дБ.

Исходные данные:

Транзистор ГТ313А p-n-p типа

Напряжение источника питания EК= EПИТ =8 В

Постоянная составляющая тока коллектора IK0=16 мА=16 * 10-3 А

Коэффициент усиления по току β0=180

Нижняя граничная частота рабочего диапазона частот fН. ГР.=50 Гц

RН=0,13 КОм=130 Ом

Uкэо = 6 В

Uбэо = 0,3 В для германиевого транзистора

rБЭ = 470 Ом

rКЭ = 3030 Ом

Расчет элементов схемы, обеспечивающих режим БТ

1. Определение

Принимаем Uкэо = 6В

= Eп / 2 = 8 / 2 = 4 В

2. Определение RЭ и

По закону Кирхгофа для замкнутой цепи имеем:

Расчет RЭ и RК производится, исходя из следующих соображений:

RК + RЭ = Eп – Uкэо / Iко = (8 В – 6 В) / 16 × 10-3 А = 125 Ом

RК + RЭ = Rн =130 Ом (из РГР)

Выбираем из соображения

RК + 0,2Rк = 130 Ом

RК = 108,3 Ом выбирается RК = 110 Ом

RЭ = 21,6 Ом выбирается RЭ = 22 Ом

3. Расчет элементов базового делителя напряжения R1 и R2:

Uбэо = 0,3 В

а) Uбо = Rэ × Iэо + Uбэо = ( Iко + Iко/b) × Rэ + Uбэо = ( 16мА + 16мА/180) × 22 Ом + 0,3В = 0,65В

б) Выбирается ток делителя >>:

Iбо = 0,1 мА (из РГР)

Iд = 10 × Iбо = 10 × 0,1 мА = 1 мА

в) R2 = Uбо/Iд = 0,65В/1 мА = 650 Ом выбирается R2 = 620 Ом

R1 = Eп – Uбо / Iд + Iбо = (8 – 0,65)В / (1 + 0,1)мА = 6682Ом выбирается R1 = 6800

Расчет основных параметров усилителя

1. Определение крутизны:

где φТ – температурный потенциал (для 300К φТ=0,025В)

S = 16мА / 0,025В = 0,64 (А/В) = 0,64 Ом-1

2. Определение входного сопротивления каскада

дифференциальное сопротивление каскада: rБЭ = dUБЭ / dIБ = (dUБЭ / dIБ) × (dIК / dIК) = b / S

rБЭ = 180 / 0,64 Ом-1 = 281,25 Ом принимаем rБЭ = 470 Ом (из РГР)

Rвх. каскада = rБЭ × R1 × R2 / R1 × R2 + R1 × rБЭ + rБЭ × R2

Rвх. каскада = (470 × 620 × 6800 )/( 470 × 6800 + 620 × 6800 + 620 × 470) = 1981520000 / 7703400 = 257,2Ом

3. Определение коэффициента усиления по напряжению для области средних частот

rКЭ = UА / IКО = 100 В / 16 мА = 6250 Ом принимаем rКЭ = 3030 Ом (из РГР)

Rвых. каскада = (RK × rКЭ × RН )/ (RK × rКЭ + rКЭ × RН + RН × RK)

Rвых. каскада = (108,3 × 3030 × 130) Ом / (108,3 × 3030 + 3030 × 130 + 130 × 108,3) Ом =

= 42659370 / 736128 = 579,46 Ом

КUO = S × Rвых. каскада = 0,64 Ом-1 × 579,46 Ом = 371

4. Определение сквозного потенциала усиления по напряжению

КUCO = UВЫХ. / еГ = UВХ. × UВЫХ. / еГ × UВХ. = UВХ. × КUO / еГ = Rвх. каскада × КUO / Rвх. каскада + Rг =

= 257,2 × 371 / (257,2+ 1000) = 75,9

5. Расчет конденсаторов связи С1, С2 и эмиттерной стабилизации (СЭ)

а) Распределяются частотные искажения для области низких частот между источниками частотных искажений:

МН. общ. = 3дБ, распределяем МС1,С2,СЭ поровну МС1 = 1дБ, МС2 = 1дБ, МСЭ = 1дБ.

,

где — постоянная времени для С1

wН. ГР. = 2 × p × ¦Н. ГР. = 2 × 3,14 × 50 Гц = 314,15 с-1

С1 ≥ 1/(wН. ГР. × √МС1² — 1) × 1/ (Rвх. каскада + Rг) = 1/(314,15 × √1,121² — 1) × 1/(257,2 + 1000) = 4,99 мкФ

— постоянная времени для С2

С2 ≥ 1/(wН. ГР. × √МС2² — 1) × 1/ (Rк + Rн) = 1/(314,15 × √1,121² — 1) × 1/(130 + 108,3) = 2,64×Ф

С1 ≥ 2,64×Ф

— постоянная времени для СЭ

СЭ ≥ S/(wН. ГР. × √МСЭ² — 1) = 0,64/(314,15 × √1,121² — 1 )= 4,02 мФ

Для области высоких частот необходимо учитывать СКЭ, β, СН

Коэффициенты частотных искажений (МВ) на верхней граничной частоте полосы пропускания() определяем следующим образом:

,

где

— постоянная времени на верхней частоте;

— постоянная времени коэффициента передачи

— граничная частота коэффициента передачи

а) ¦b = 300 МГц / (1 + 180) = 1,65 МГц

б) tb = 1/ (2 × 3,14 × 2,48 × 106 ) = 0,096 мкс

в) wВ. ГР = √МВ. ГР.² — 1 / tВ ≈ √МВ. ГР.² — 1 / tb = 33,45 × 106 с-1

¦В. ГР. = wВ. ГР. / 2 × p = 33,45 × 106 / 2 × 3,14 = 5,32 МГц

¦a = ¦Т × m = 300МГц × 1,6 = 480МГц

¦В. ГР ≤ 120 ÷ 160 МГц условие выполнено.

8. Выбор ближайших номиналов для R и С из ГОСТа:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: