Общий коллектор расчет

Общий коллектор расчет

Ключевой режим работы характеризуется тем, что транзистор находится в одном из двух состояний: в полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (состояние отсечки).

Рассмотрим пример, где в качестве нагрузки выступает контактор типа КНЕ030 на напряжение 27В с катушкой сопротивлением 150 Ом. Индуктивным характером катушки в данном примере пренебрежем, считая, что реле будет включено раз и надолго.

Рассчитываем ток коллектора:

Ik =( UccU кэнас)/ R н , где

Ik –ток коллектора

Ucc — напряжение питания (27В)

U кэнас- напряжение насыщения биполярного транзистора (типично от 0.2 до 0.8В, хотя и может прилично различаться для разных транзисторов), в нашем случае примем 0.4В

R н- сопротивление нагрузки (150 Ом)

Ik = (27-0.4)/150 = 0.18 A = 180мА

На практике из соображений надежности элементы всегда необходимо выбирать с запасом. Возьмем коэффициент 1.5

Таким образом, нужен транзистор с допустимым током коллектора не менее 1.5*0.18=0.27А и максимальным напряжением коллектор-эмиттер не менее 1.5*27=40В.

Открываем справочник по биполярным транзисторам . По заданным параметрам подходит КТ815А ( Ik макс=1.5А U кэ=40В)

Следующим этапом рассчитываем ток базы, который нужно создать, чтобы обеспечить ток коллектора 0.18А.

Как известно, ток коллектора связан с током базы соотношением

Ik = I б* h 21э,

где h 21э – статический коэффициент передачи тока.

При отсутствии дополнительных данных можно взять табличное гарантированное минимальное значение для КТ815А (40). Но для КТ815 есть график зависимости h 21э от тока эмиттера. В нашем случае ток эмиттера 180мА, этому значению соответствует h 21э=60. Разница невелика, но для чистоты эксперимента возьмем графические данные.

Для расчета базового резистора R 1 смотрим второй график, где приведена зависимость напряжения насыщения база-эмиттер ( U бэнас) от тока коллектора. При токе коллектора 180мА напряжение насыщения базы будет 0.78В (При отсутствии такого графика можно использовать допущение, что ВАХ перехода база-эмиттер подобна ВАХ диода и в диапазоне рабочих токов напряжение база-эмиттер находится в пределах 0.6-0.8 В)

Следовательно, сопротивление резистора R 1 должно быть равно:

R 1=( U вх- U бэнас)/ I б = (5-0.78)/0.003 = 1407 Ом = 1.407 кОм.

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее в меньшую сторону (1.3 кОм)

Если к базе подключен шунтирующий резистор (вводится для более быстрого выключения транзистора или для повышения помехоустойчивости) нужно учитывать, что часть входного тока уйдет в этот резистор, и тогда формула примет вид:

R 1= ( U вх- U бэнас)/( I б+ IR 2) = ( U вх- U бэнас)/( I б+ U бэнас/ R 2)

Так, если R 2=1 кОм, то

R 1= (5-0.78)/(0.003+0.78/1000) = 1116 Ом = 1.1 кОм

Рассчитываем потери мощности на транзисторе:

P = Ik * U кэнас

U кэнас берем из графика: при 180мА оно составляет 0.07В

P = 0.07*0.18= 0.013 Вт

Мощность смешная, радиатора не потребуется.

trzrus.ru

Каскад с общим коллектором эмиттерный повторитель

Расчет каскада по постоянному току проводят аналогично со схемой ОЭ. Резистор Rэ в схеме выполняет ту же функцию, что и резистор Rк в схеме ОЭ – создание изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, по цепи базы. Конденсаторы Ср1 и Ср2 являются разделительными, а резисторы R1 и R2 предназначены для задания рабочей точки, причем для повышения входного сопротивления резистор R2 в схему часто на вводят.

Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельно включенными сопротивлениями R1, R2 и сопротивлением входной цепи транзистора rвх:

Из эквивалентной схемы замещения рис.1.23б можно найти:

а разделив левую и правую часть уравнения на Iб получим:

Если принять, что rэ и rб значительно меньше других составляющих полученного выражения, то входное сопротивление транзистора , включенного по схеме ОЭ

а входное сопротивление каскада ОК:

При достаточно высокоомном входном делителе и транзисторе с высоким входное сопротивление каскада может достигать десятков-сотен кОм, что является одним из важнейших достоинств каскада ОК.

Коэффициент усиления по току можно определить , используя эквивалентную схему замещения, аналогично каскаду ОК

Ток нагрузки является частью эмиттерного тока транзистора, поэтому:

Выразив аналогично схеме ОЭ ток базы через входной ток каскада получаем:

Разделив левую и правую часть уравнения на Iвх имеем:

т.е. коэффициент усиления каскада ОК зависит от соотношений Rвх и rвх, а также Rэ и Rн. Если предположить, что Rвх rвх, имеем;

Таким образом, каскад ОК обеспечивает усиление по току, причем при Rэ = Rк и одинаковых значениях Rн коэффициенты усиления по току в схемах ОК и ОЭ примерно одинаковы. Коэффициент усиления по напряжению аналогично схеме ОЭ может быть определен как:

После подстановки значения КI:

Для оценки коэффициента усиления каскада ОК по напряжению примем Rвх >> Rг и считаем делитель в цепи базы достаточно высокоомным. Это позволяет принять и получить КU 1. Точный расчет дает КU < 1 и в пределе стремится к единице.

Выходное сопротивление каскада ОК представляет собой сопротивление со стороны эмиттера, которое из эквивалентной схемы замещения определяется как:

radiomaster.ru

Биполярный транзистор. Расчет усилителя с ОЭ. Часть 3

В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от коэффициента бета, а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть гуд. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку резисторов и в результате получается схема с 4-мя резисторами:

Резистор между базой и эмиттером назовем Rбэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем R э . Теперь, конечно же, главный вопрос: «Зачем они нужны в схеме?»

Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->Rк ——> коллектор—> эмиттер—>Rэ —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиАмпер (если не учитывать крохотный ток базы, так как Iэ = Iк + Iб ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Чуток упростим схемку:

Rкэ — это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.

В результате, у нас получается простой делитель напряжения, где

Мы видим, что на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет равняться падению напряжения на резисторе Rэ .

А чему равняется падение напряжения на Rэ ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора Rэ . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.

Какую же функцию выполняют резисторы Rб и Rбэ ?

Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения. Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит , что бывает крайне редко. В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе Rэ .

б) падение напряжения на резисторе Rэ — это и есть напряжение на эмиттере Uэ . Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи Uэ стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение Uб , образованное делителем из резисторов Rб и Rбэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле Uбэ = Uб — Uэ . Следовательно, Uбэ станет меньше, так как Uэ увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз Uбэ уменьшилось, значит и сила тока Iб , проходящая через базу-эмиттер тоже уменьшилась.

е) Выводим из формулы ниже Iк

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток ? Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R э . Забегая вперед, скажу, что Отрицательная Обратная Связь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Ладно, ближе к делу. Наше техническое задание звучит так:

Рассчитать каскад на биполярном транзисторе КТ315Б с коэффициентом усиления равным KU =10 , Uпит = 12 Вольт .

1) Первым делом находим из даташита максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт. Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

2) Определим напряжение на Uкэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.

3) Определяем ток коллектора:

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере Uкэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах Rк и Rэ . То есть получаем:

то составляем небольшое уравнение:

5) Определим ток базы Iбазы из формулы:

Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.

Iб = Iк / β = 20х10 -3 /140 = 0,14 миллиАмпер

6) Ток делителя напряжения Iдел , образованный резисторами Rб и Rбэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток Iб :

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

8) Определяем напряжение на базе:

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер Uбэ = 0,66 Вольт . Как вы помните — это падение напряжения на P-N переходе.

Следовательно, Uб =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта . Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.

Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:

Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на Rб называется U1 , а падение напряжения на Rбэ будет U2 .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

Rб = U1 / Iдел = 10,8 / 1,4х10 -3 = 7,7 КилоОм . Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма

Rбэ = U2 / Iдел = 1,2 / 1,4х10 -3 = 860 Ом . Берем из ряда 820 Ом.

В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:

Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:

Итак, беру свой цифровой осциллограф и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма — это входной сигнал, желтая осциллограмма — это выходной усиленный сигнал.

Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты:

Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10. Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Давайте подадим еще треугольный сигнал:

Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Дешевый китайский генератор частоты дает о себе знать).

Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами

то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала

Что же можно еще сказать о схеме усилителя с ОЭ и с 4-мя резисторами?

Выходное сопротивление такой схемы в основном определяется номиналом резистора Rк . В данном случае это 270 Ом. Входное сопротивление Rвх примерно равняется: Rвх = Rэ β . В данном случае Rвх = 27х140=3780 Ом .

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых, эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI .

Во-вторых, ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе мощный и простой усилок.

www.ruselectronic.com

Усилительный каскад с общим коллектором

Наш следующий в изучении тип включения транзистора немного проще для вычисления коэффициентов усиления. Так называемая схема с общим коллектором показана на рисунке ниже.

В схеме с общим коллектором и вход, и выход используют коллектор (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Конфигурация этого каскада называется схемой с общим коллектором, потому что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку (рисунок ниже).

Общий коллектор: входной сигнал подается на базу и коллектор, выходной сигнал берется со схемы эмиттер-коллектор

Должно быть очевидно, что через резистор нагрузки, помещенный в цепь эмиттера, в схеме усилителя с общим коллектором протекают как ток базы, так и ток коллектора. Поскольку через вывод эмиттера транзистора протекает самое большое значение тока (сумма токов базы и коллектора, которые всегда объединяются вместе для формирования тока эмиттера), было бы разумным предположить, что этот усилитель буде иметь очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно правильное: коэффициент усиления по току усилителя с общим коллектором довольно большой, больше, чем в любом другом типе схемы транзисторного усилителя. Однако это не совсем то, что его отличает от других типов схем транзисторных усилителей.

Давайте сразу же перейдем к SPICE анализу этой схемы усилителя, и вы сможете сразу увидеть, что уникального в этом типе включения транзистора. Схема и список соединений приведены ниже.

Схема усилительного каскада с общим коллектором для SPICE Общий коллектор: напряжение на выходе меньше напряжения на входе на 0,7 В (на падение напряжения VБЭ)

В отличие от усилительного каскада с общим эмиттером из предыдущего раздела, схема с общим коллектором создает выходное напряжение в прямой, а не в обратной пропорции к возрастающему входному напряжению. Смотрите рисунок выше. По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, тщательный анализ показывает, что выходное напряжение почти идентично входному, отставая от него примерно на 0,7 вольта.

Это уникальная особенность усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение, которое почти равно входному напряжению. При рассмотрении с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного изменения величины входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный почти единице (1), или 0 дБ. Это справедливо для транзисторов с любым значением β и для любых сопротивлений нагрузки.

Понять, почему выходное напряжение в схеме с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению, очень просто. Обратившись к модели транзистора на базе диода и источника тока (рисунок ниже), мы увидим, что ток базы должен протекать через PN-переход база-эмиттер, который эквивалентен обычному выпрямляющему диоду. Если этот переход смещен в прямом направлении (транзистор проводит ток в активном режиме или режиме насыщения), падение напряжения на нем будет равно примерно 0,7 вольта (предполагаем, что транзистор кремниевый). Это падение 0,7 вольта во многом не зависит от реальной величины тока базы; таким образом, мы можем считать его постоянным.

Эмиттерный повторитель: напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе (меньше на величину падения напряжения база-эмиттер, 0,7 вольта) (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Учитывая полярности напряжений на PN-переходе база-эмиттер и на резисторе нагрузки, мы видим, что одни должны складываться вместе, чтобы в соответствии с законом напряжений Кирхгофа равняться входному напряжению. Другими словами, напряжение на нагрузке всегда будет примерно на 0,7 вольта меньше входного напряжения при всех условиях, когда транзистор проводит ток. Отсечка происходит при входном напряжении ниже 0,7 вольта, а насыщение – при входном напряжении выше напряжения батареи (источника питания) плюс 0,7 вольта.

Поэтому схема усилителя с общим коллектором также известна как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель, поскольку напряжения на эмиттерной нагрузке почти повторяют напряжения на входе.

Применение схемы с общим коллектором для усиления сигналов переменного напряжения также требует использования «смещения» входного сигнала: постоянное напряжение должно быть добавлено к входному сигналу переменного напряжения, чтобы удерживать транзистор в активном режим в течение всего периода синусоиды входного сигнала. Когда смещение будет добавлено, в результате получится неинвертирующий усилитель, показанный на рисунке ниже.

Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал повторяет входной. Амплитуда выходного сигнала такая же, как и у входного. Тем не менее, уровень постоянной составляющей смещается вниз на падение напряжения VБЭ.

Схема каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель): выход V(3) повторяет вход V(1), но ниже на VБЭ = 0,7 вольта

Вот еще один вид схемы (рисунок ниже) с осциллографами, подключенным к нескольким интересным точкам.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен 1

Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает никакого усиления по напряжению (на самом деле, коэффициент усиления по напряжению у нее чуть меньше 1), ее единственным усиливающим фактором является ток. Коэффициент усиления по току схемы усилителя с общим эмиттером, рассмотренной в предыдущем разделе, равен β транзистора, поскольку входной ток проходит через базу, а выходной ток (ток нагрузки) – через коллектор, а β – это и есть отношение тока коллектора к току базы. Однако в схеме с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с эмиттером, и, следовательно, ток через неё равен току эмиттера. В схеме протекает два тока: ток от эмиттера к коллектору и ток базы. Через нагрузку в этом типе схемы усилителя протекают оба этих тока: ток коллектора плюс ток базы. Это дает коэффициент усиления по току, равный β плюс 1.

Опять же, PNP транзисторы так же можно использовать в схеме с общим коллектором, как и NPN транзисторы. Расчеты усиления одинаковы, равно как и неинвертирование усиленного сигнала. Единственное различие заключается в полярностях напряжений и направлениях токов (рисунок ниже).

PNP версия усилительного каскада с общим коллектором

Популярное применение усилителя с общим коллектором – стабилизированные источники питания постоянного напряжения, где нестабилизированное (изменяющееся) постоянное напряжение источника фиксируется на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, стабилитроны уже выполняют эту функцию по стабилизации напряжения (рисунок ниже).

Стабилизатор напряжения на стабилитроне

Однако при использовании этой схемы стабилизатора непосредственно для питания нагрузки величина тока, которая может быть подана на нагрузку, обычно очень сильно ограничена. По сути, эта схема стабилизирует напряжение на нагрузке, поддерживая ток на последовательном резисторе на уровне достаточно высоком, чтобы на нем упало всё избыточное напряжение источника, при этом и стабилитрон, если необходимо, потребляет ток, чтобы напряжение на нем было постоянным. Для сильноточных нагрузок простой стабилизатор напряжения на стабилитроне должен будет пропускать через стабилитрон большой ток, чтобы эффективно стабилизировать напряжение на нагрузке в случае сильных изменений сопротивления нагрузки или напряжения источника.

Одним из популярных способов увеличения допустимой величины тока, подаваемого на нагрузку, в подобных схемах является использование транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, для усиления тока нагрузки так, чтобы цепь стабилитрона работала только с той величиной тока, которая необходима для подачи на базу транзистора (рисунок ниже).

Применение схемы с общим коллектором: стабилизатор напряжения (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Есть только одна оговорка: напряжение на нагрузке будет примерно на 0,7 вольта меньше напряжения стабилитрона из-за падения напряжения на PN переходе транзистора база-эмиттера. Так как эта разница в 0,7 вольта довольно постоянна в широком диапазоне токов нагрузки, в реальной схеме стабилитрон может быть выбран с номинальным напряжением на 0,7 вольта выше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.

Иногда в конкретном приложении со схемой с общим коллектором бывает недостаточно высокого коэффициента усиления по току одиночного транзистора. Если это так, то несколько транзисторов могут быть объединены в популярную схему, известную как пара Дарлингтона, являющуюся просто расширением концепции схемы с общим коллектором (рисунок ниже).

NPN пара Дарлингтона

Пары Дарлингтона, по сути, ставят один транзистор в качестве нагрузки другого транзистора по схеме с общим коллектором, тем самым перемножая их собственные коэффициенты усиления по току. Ток базы верхнего левого транзистора усиливается на эмиттере этого транзистора, который напрямую соединен с базой нижнего правого транзистора, где ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току выглядит следующим образом:

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:

\[A_I = (\beta_1 + 1)(\beta_2 + 1)\]

  • β1 – бета первого транзистора;
  • β2 – бета второго транзистора;

Если вся сборка включена по схеме с общим коллектором, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему равен почти 1, хотя напряжение на нагрузке будет на 1,4 вольта меньше входного напряжения (рисунок ниже).

В схеме усилителя с общим коллектором на паре Дарлингтона теряется удвоенное напряжение VБЭ, падение напряжение на PN переходах

Пары Дарлингтона могут быть приобретены как отдельные устройства (два транзистора в одном корпусе) или могут быть собраны из пары отдельных транзисторов. Конечно, если требуется еще большее усиление по току, чем то, что может быть получено на паре, можно собрать и триплет, и квадруплет Дарлингтона.

radioprog.ru

Курсовая работа — Расчет усилительного каскада с общим коллектором

Скачивание файла

Введите число с картинки:

— принцип действия усилителя …….……. ……………………. 6

Список использованной литературы………………. ……………. 19

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

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в n-p-n -структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярноголярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение, именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этомом случае выходной ток транзистора не может управлять его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа. Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3): схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).

Рис 1.1 Схемы включения биполярных транзисторов (направлении работы соответствует активному режиму работы).

Упрощенная схема включения биполярного транзистора п-р-п-типа с общим коллектором (ОК) приведена на рис. 3.7. На рис. 3.8 представлены входные статические характеристики этой схемы. Ее выходные характеристики с учетом практически полностью совпадают с выходными характеристиками схемы с ОЭ (рис. 3.3,6).

Из статических характеристик видно, что напряжение на коллекторном переходе , которое является входным для схемы с ОК, имеет большое влияние на ток базы транзистора (но не наоборот) и почти совпадает (с учетом ) c напряжением

Рис. 3.7. Упрощенная схема включения биполярного транзистора n-p-n типа с ОК

В то же время выходной ток I Эо оказывается значительно выше входного тока I бо и линейно от него зависит: . Из этого следует важная особенность схемы с ОК: большое входное и низкое выходное сопротивление, что позволяет использовать ее как усилитель тока в различных цепях (при равенстве коэффициента усиления по напряжению единице схему с ОК принято называть эмиттерным повторителем).

На рис. 3.9 изображена схема задания смещения в транзисторном каскаде с ОК. Данная схема очень похожа на схему эмиттерно-базовой стабилизации, рассмотренную ранее для каскада с ОЭ, однако здесь мы стабилизируем напряжение на участке коллектор-база транзистора. Оказывается, что это также позволяет однозначно определить рабочую точку каскада (при заданном стабильном напряжении коллектор-база мы имеем стабильное значение тока базы и линейно от него зависящих токов эмиттера и коллектора транзистора). В схеме с ОК в цепи протекания тока базы I бо кроме перехода эмиттер – база транзистора VТ1 всегда оказывается также резистор Здесь данный резистор фактически играет роль нагрузки.

Рассмотрим несколько подробнее его влияние на происходящие в каскаде процессы.

Итак, делитель на резисторах позволяет стабилизировать напряжение U БКо на коллекторном переходе транзистора VТ1. Поскольку это напряжение очень близко по значению к

напряжению U ЭКо , на долю участка база — эмиттер остается достаточно незначительный диапазон возможных значений, причем увеличение напряжения на эмиттерном переходе U ЭБо возможно только за счет снижения падения напряжения на резисторе , т.е. при уменьшении тока эмиттера I Эо , и наоборот. Но само по себе уменьшение тока эмиттера должно вызывать не увеличение, а уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Действительно:

Таким образом, в схеме имеет место отрицательная обратная связьпо току нагрузки.

Заметим, что значение сопротивления R э в этой схеме не может быть ни слишком большим, ни слишком малым, поскольку, с одной стороны, оно определяет режим работы каскада по токам , а с другой — является нагрузкой в цепи протекания выходного тока усилительного каскада (вспомним, что схема с ОК применяется именно как усилитель тока). Зачастую в реальных схемах резистора как такового и нет, его роль может выполнять входное сопротивление следующего за эмиттерным повторителем каскада.

В дальнейшем будет показано, что введение дополнительного сопротивления в эмиттерную цепь протекания тока транзистора может оказаться полезным и в каскаде с ОЭ. Там это сопротивление будет выполнять только роль элемента обеспечения ООС по току, поскольку нагрузка включается в коллекторную цепь. Может показаться, что смещение каскада с ОК можно организовать и способом, аналогичным тому, который был использован в схеме с фиксированным током базы на рис. 3.5. Например, это могло бы выглядеть так, как показано на рис. 3.10, но это ошибочное решение. Дело в том, что здесь в цепи протекания тока I бо появляется резистор падение напряжения на котором зависит в основном от тока I K0 , т.е. даже незначительные колебания (например, ввиду колебаний температуры) тока I K0 могут привести к изменению тока базы I бо транзистора и, соответственно, к значительному смещению рабочей точки каскада.

1. Проверка достаточности напряжения питания схемы Достаточность напряжения питания схемы ОК, определяется эмпирической формулой

E k > 1,4 • 2 • U ВЫХмах

Для данной схемы К и = 1 и U ВХ мах = U ВЫХ мах

Для источника питания справедливым будет соотношение

Uпит ≥ 1,4 • 2 • U вых мах = 1,4 • 2 • 1,5 = 4,2 В.

По условию расчета U ПИТ = 7 В, что удовлетворяет требованиям проверки. Если в результате проверки получено U пит 5 В, то на рисунке с входными характеристиками между кривыми U КЭ =0 и U КЭ ≥ 5В строится соответствующая кривая и на ней формируется точка А 1 = 0,48В

5. Расчет параметров элементов схемы.

Исходными являются напряжения на элементах схемы (рис.2):

U RЭП = Е К — U КЭП = 7-1, 25=5, 75 В;

U БП = U БЭП + U RЭП =0, 48+5, 75=6, 23 В;

U R2 = U БП = 6, 23 В;

U R1 =Е К — U R2 = 7- 6,83=0,77 В

5.1 Расчет сопротивления резисторов R 1 и R 2 .

Резисторы R 1 и R 2 образуют делитель, обеспечивающий необходимый ток базы и напряжение на базе в режиме покоя.

Исходные данные для расчета:

h 21Э * R Э >> R 1 || R 2 .

= , следовательно R 1 = R 2 *0,12

Для выполнения условия h 21Э * R Э >> R 1 || R 2 при h 21Э * R Э = 30*1,6=48 кОм принимаем значение 8 кОм.

Таким образом, имеем два уравнения:

R 1 =0.12* R 2 и R 1 * R 2 / R 1 + R 2 =8

Решая которые методом подстановки получим искомые значения сопротивлений резисторов:

R 2 = 74,6 кОм, R 1 =8,95 кОм

5.2 Определение величин емкостей конденсаторов .

На входе и выходе эмиттерного повторителя имеем фильтры верхних частот.

Входной фильтр образуется разделительным конденсатором С 1 и входным сопротивлением каскада, равным при h 21Э ≥ 30

R вх ≈ R 1 || R 2 || h 21Э (R Э || R Н ) = 9 || 75 || 30 * (1,6 || 4) ≈ 8 кОм.

Емкость конденсатора С 1

С 1 = (2π * f H * R вх ) -1 = (2π *80*8*10 *3 ) -1 = 0,24 мкФ.

Выходной фильтр образуется разделительным конденсатором С 2 и входным сопротивлением нагрузки R Н = 4 кОм.

Емкость конденсатора С 2

С 2 = (2π * f H * R вх ) -1 = (2π *80*4*10 *3 ) -1 = 0,49 мкФ.

6. Принципиальная схема эмиттерного повторителя приведена на рис. 7.

На схеме резисторы имеют следующие номинальные сопротивления согласно ряду Е24 номинальных сопротивлений резисторов:

R 1 = 10кОм R 2 = 75 кОм R Э = 1,6 кОм

Для установки можно использовать резисторы типа МЛТ:

R 1 МЛТ-0,125 – 10 кОм ± 5%

R 2 МЛТ-0,125 – 75 кОм ± 5%

R Э МЛТ- 0, 25 – 1,6 кОм ± 5%

Принимаем С 1 и С 2 с запасом и согласно ряду Е12 номинальных значений емкостей получаем С 1 = 0,24 мкФ, С 2 = 0,49 мкФ,

Для установки можно использовать конденсатор типа КМ-6:

С 1 КМ-6 – М47 – 0,24 мкФ ± 10%,

С 2 КМ-6 – М47 – 0,49 мкФ ± 10%.

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

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

Частотные свойства каскада с ОК (как и каскадов с ОЭ и ОБ) полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора, однако на практике из-за обычно имеющей место глубокой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, чем каскад с ОЭ.

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. Учеб. для вузов.- 4-е издание. — М.: Высшая школа, 2006 г.

2. Жаворонков М.А., Кузин А.В. Электротехника и электроника: учебное пособие для вузов – М.: Академия, 2005 г.

3. Полещук В.И. Задачник по электротехнике и электронике: учебное пособие для студентов – М.: Академия, 2006 г.

4. Антипов Б.Л. и др. Материалы электронной техники: задачи и вопросы: учебник для вузов – СПб: Лань, 2003 г.

5. Ференец А.В., Хайруллина Г.С. Применение программы EWB для моделирования аналоговых устройств электроники: учебное пособие – Казань: из-во КГТУ, 2004 г.

6. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учеб. для вузов/ -М.: Горячая Линия — Телеком, 2003 г.

7. Прянишников В.А. Электроника. Полный курс лекций/ -4-е изд. -СПб: «КОРОНА- Принт», 2004 г.

8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. Пер. с нем. — М.: Мир, 1982 г.

9. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Изд. Дом «Додэка-XXI», 2005 г.

10. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. Учеб. Пособие. — 4-е изд. перераб. и доп. — Ростов н/Д. Изд-во «Феникс», 2004 г.

www.studmed.ru

Популярное:

  • Заявления на свидетельства инн Заявление на получение ИНН физическим лицом (бланк) Заявление на получение ИНН подается по форме, утвержденной Федеральной налоговой службой. Мы расскажем, где найти бланк заявления и как его правильно заполнить. Бланк […]
  • Начисление налога на вмененный доход Проводки по начислению и уплате ЕНВД Отправить на почту Начисление ЕНВД - проводки по данной операции отличаются от проводок по начислению прочих налогов и взносов. Финансовый результат, отраженный в них, не затрагивает […]
  • Расследуется преступление на дискавери Расследуется преступление на дискавери Идеальное убийство дата выхода: Понедельник, 1 февраля, 20:10 В этом месяце канал ID Xtra знакомится с материалами расследования захватывающих преступлений. […]
  • Образец ходатайства упк рф Образец ходатайства упк рф Заявление о преступлении в полицию (побои из хулиганских побуждений нанесли неизвестные лица) Ходатайства в уголовном процессе Ходатайство по уголовному делу о признании наличия смягчающих […]
  • Разряжение во впускном коллекторе на ланосе Слабое разряжение во впускном коллекторе. Нексия 1,5 л, 8 кл. inji сказал(-а): 25.05.2012 11:38 Слабое разряжение во впускном коллекторе. Нексия 1,5 л, 8 кл. Нексия 1,5 л, 8 кл. Слабое разряжение во впускном коллекторе, […]
  • Закон запрет продажи алкоголя несовершеннолетним Продажа алкоголя несовершеннолетним запрещена Продажа алкоголя гражданам является особым видом деятельности. Специфика алкогольного бизнеса обусловлена повышенным вниманием со стороны контролирующих органов, главными из которых […]
  • Что такое гаага суд Что такое Гаагский суд? Гаагский суд – это популярная международная организация, которая была создана в 1889 году. Идею по созданию суда воплотили участники гаагской конференции. Благодаря ним появился суд принимающий участие в […]
  • Когда нужно оплачивать патент Как, когда и где оплачивать патент? Вопрос - ответ Какой крайний срок оплаты патента: дата первой оплаты или дата выдачи патента? Дата выдачи патента. Фиксированный авансовый платеж по патенту (НДФЛ) уплачивается до дня начала […]