Усилительный каскад с общим коллектором

 














Усилительный каскад с общим коллектором


Введение

схема электрический усилительный каскад

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

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

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

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

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

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

В заключении будут подведены итоги работы.

1.Теоретическая часть

схема электрический усилительный каскад

1.1 Общие сведения о биполярных транзисторах


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


Рис 1. Биполярный транзистор.


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

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

Режимы работы биполярного транзистора:

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

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

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

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

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

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

схема электрический усилительный каскад

Рис 2. Схема включения с ОБ.


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

Коэффициент усиления по току:

вых/Iвх=Iк/Iэ=? [?<1]


Входное сопротивление


Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.


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

Достоинства:

·Хорошие температурные и частотные свойства.

·Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с ОБ:

·Малое усиление по току, так как ? < 1

·Малое входное сопротивление

·Два разных источника напряжения для питания.

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


Рис 3. Схема с ОЭ.

вых=Iк

Iвх=Iб

Uвх=Uбэ

Uвых=Uкэ


·Коэффициент усиления по току:

Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = ?/(1-?) = ? [?>>1]


·Входное сопротивление:

вх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб


Достоинства:

·Большой коэффициент усиления по току

·Большой коэффициент усиления по напряжению

·Наибольшее усиление мощности

·Можно обойтись одним источником питания

·Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

·Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Схема включения биполярного транзистора с ОК изображена на рис 4. Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем».


Рис 4. Схема с ОК.

вых=Iэ

Iвх=Iб

Uвх=Uбк

Uвых=Uкэ


·Коэффициент усиления по току:

вых/Iвх=Iэ/Iб=Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-?) = ? [?>>1]


·Входное сопротивление:

вх=Uвх/Iвх=(Uбэ+Uкэ)/Iб


Достоинства:

·Большое входное сопротивление

·Малое выходное сопротивление

Недостатки:

·Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.


.2 Общие сведения об электронных усилителях


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

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

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

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

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

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

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


.3 Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллектором (эмиттерный повторитель)


Данную схему (рис. 7) называют также эмиттерным повторителем, вследствие того, что ее выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора, близко по величине к входному напряжению(Uн=Uвх- Uбэ?Uвх) и совпадает с ним по фазе.

Резистор Rэ в схеме выполняет те же функции, что и Rк в схеме с ОЭ - создание Uвых за счет протекания Iэ, управляемого по цепи базы. R1, R2 задают режим покоя каскада, часто R2 не вводят для того, чтобы увеличить входное сопротивление.

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

Для оценки КU примем Rвх>>Rг, а Rвх?(1+?)(Rэ||Rн) при этом КU?1, точно КU<1 и в пределе стремится к 1.

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

Выходное сопротивление мало (10?50) Ом.

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

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

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

Функциональная схема приведена на рис 7.


Рис 5. Функциональная схема каскада с ОК.


2. Практическая часть


Для расчета выбрали схему, которая изображена на рис. 6.


Рис 6. Электрическая принципиальная схема усилительного каскада с ОК.

VT1, Rэ - эмиттерный повторитель.

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

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

Rн - сопротивление нагрузки, с которого снимают выходной сигнал.


Характерные особенности схемы:

) Высокое входное сопротивление, значение которого достаточно стабильно.

) Большой коэффициент усиления по току.

) Стабильный коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице.

) Малое выходное сопротивление.

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

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


где Iэ пок - ток эмиттера при нулевом входном сигнале Uвх; Uп - напряжение питания.



где Uэ пок - выходное напряжение эмиттерного повторителя при нулевом напряжении Uвх.



где Uб пок - входное напряжение транзистора.



где kд - коэффициент делителя напряжения.



где R вх тр - входное сопротивления транзистора; ? - коэффициент передачи по току.

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

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

Емкость конденсаторов вычисляют по следующим формулам:


где ?н- нижняя граница частот.


3. Расчетная часть


Исходные данные к работе: Uп=5В, Rвх= 6кОм, Rвых= 2кОм, f=100Гц-10кГц.


.1 Расчет сопротивления в цепи эмиттера


По известному эмпирическому соотношению Rэ=(0.4..0.8)Rн. Пусть для нашей схемы Rэ=0.5Rн. Тогда из формулы для расчета Rвых имеем:



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



Выбираем по ближайшему номинальному значению из ряда Е24.

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


.2 Расчет входного сопротивления транзистора RБVT.


RБVT= (1+?)*Rэ (3.2)

Для современных транзисторов коэффициент ?=20÷1000. Пусть ?=50, то входное сопротивление составит :

RБVT= (1+50)*3= 153 кОм


.3 Расчет сопротивлений делителя:


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

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

Запишем уравнение для сопротивлений делителей:



Входное сопротивление каскада равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенных RБ1, RБ2, RБVT : Rвх=RБ1//RБ2// RБVT. Откуда получаем еще одно соотношение для RБ1и RБ2:



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

Из ряда Е24 номинальных значений сопротивлений выбираем для RБ1и RБ2:

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


.4 Расчет емкостей для ФВЧ для входа и выхода.


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



Выбираем емкости из ряда Е12 с запасом емкости:

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

3.5 Выбор транзистора


Выбранный транзистор должен удовлетворять следующим условиям:



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


Заключение


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

Основные выводы по проделанной работе:

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

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

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


Список литературы


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

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

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

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

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


Приложение


электрическая принципиальная схема


Усилительный каскад с общим коллектором Введение схема электрический усилительный каскад В совр

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ