Site Loader

Содержание

Расчет усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером

Электроника и схемотехника
Тема:
Расчет усилительного каскада на
транзисторе по схеме с общим
эмиттером.

2. 1. Условие задачи.

Для схемы усилительного каскада с общим эмиттером, представленной на
рисунке ниже, определить основные параметры усилителя при следующих
значениях номиналов элементов схемы: транзистор КТ375Б, входные и
выходные характеристики которого представлены ниже; источник питания
усилительного каскада EK = 20 В; сопротивление в цепи коллектора Rк=400
Ом; амплитуда входного синусоидального сигнала низкой частоты,
подлежащего усилению Umвх = 10 мВ.
Схема усилительного каскада с
общим эмиттером
Упрощенная эквивалентная электрическая схема каскада с общим эмиттером для области средних частот.
Входные и выходные статические характеристики транзистора КТ375Б(2N3904)

4. 2. Расчет параметров.

Параметры усилительного каскада, подлежащие определению:
1.
Положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках
транзистора.
2. h – параметры транзистора в районе рабочей точки.
3. Входное сопротивление усилительного каскада, RВХ.
4. Выходное сопротивление усилительного каскада, RВЫХ.
5. Коэффициент усиления каскада по напряжению, KU.
6. Коэффициент усиления каскада по току, KI.
7. Коэффициент усиления каскада по мощности, KP.
8. Величина выходного напряжения усилительного каскада.
2. Расчет параметров.
1. Режим покоя усилительного каскада, при котором UВХ = 0, определяет
положение рабочей точки на семействе входных и выходных характеристик.
Положение рабочей точки (точка А) определяется значениями сопротивлений
базовых резисторов R1, R2, коллекторного резистора RK при заданном
значении напряжения питания ЕК.
Начертим линию нагрузки, на выходных статических характеристиках.
Сопротивление Rк=400 Ом. Учтем то, что по второму закону Кирхгофа для
выходной цепи в режиме покоя имеем:
где UКЭ — напряжение между коллектором и эмиттером в режиме покоя.
Данное уравнение изображается на выходной статической характеристике
транзистора в виде прямой линии (линии нагрузки), построение которой
проходит путем нахождения двух характерных точек: в режиме холостого хода,
когда IК = 0, имеем UКЭ = EК; и в режиме короткого замыкания — UКЭ = 0, имеем
IК = EК/RК.
Определим эти точки: в режиме холостого хода, когда IК = 0, имеем UКЭ = EК=
20 В; и в режиме короткого замыкания — UКЭ = 0, имеем IК = EК/RК = 20/400 =
0,05 А = 50 mА. Проведем линию нагрузки.
Линия нагрузки на выходных статических характеристиках
Если мы зададим на оси Uкэ значение 0,5 Ек и проведем перпендикулярную
линию до пересечения с линией нагрузки, то определим положение рабочей
точки на выходных статических характеристиках.
Линия нагрузки и положение рабочей точки на выходных
статических характеристиках
Получается, что в рабочей точке линия нагрузки пересекается с
характеристикой IK = f(UКЭ), при IБ0 = 0,135 mА. Определим значение Iк в
рабочей точке.
Линия нагрузки и положение рабочей точки на выходных
статических характеристиках
Получаем Iк= 25 мА, Uкэ=10В, при IБ0 = 0,135 mА.
Линия нагрузки и положение рабочей точки на выходных
статических характеристиках
Положение рабочей точки на входных статических характеристиках
получается при пересечении линии IБ0 = 0,135 mА, параллельной оси Uбэ, с
характеристикой IБ = f(UБЭ), при Uкэ = 10 В. Определим в рабочей точке
напряжение Uбэ.
Положение рабочей точки
на входных статических
характеристиках
Напряжение в рабочей точке Uбэ0=1,06В.
Положение рабочей точки на
входных статических
характеристиках
Резисторы R1, R2 создают на входе усилительного каскада в режиме покоя
напряжение смещения. Рассчитаем значения R1 и R2 по формулам:
Получим:
2. При работе транзисторов в качестве усилителей малых электрических
сигналов, свойства транзисторов определяются с помощью, так называемых, h
– параметров. Всего h – параметров четыре: h21, h22, h31 и h32. Они связывают
входные и выходные токи и напряжения транзистора и определяются для
схемы ОЭ,
по следующим выражениям:
h21э = ∆UВХ/∆IВХ = ∆UБЭ/∆IБ
при неизменном напряжении
UВЫХ = UКЭ = const.
Параметр h21э численно равен входному сопротивления схемы с ОЭ. Знак ∆
обозначает приращение соответствующей величины тока или напряжения.
h22э = ∆UВХ/∆UВЫХ = ∆UБЭ/∆UКЭ при IБ = const.
Параметр h22э равен коэффициенту обратной связи по напряжению.
h31э = ∆IВЫХ/∆IВХ = ∆IК/∆IБ при UКЭ = const.
Параметр h31э равен коэффициенту передачи по току.
h32э = ∆IВЫХ/ ∆UВЫХ = ∆IК/∆UКЭ при IБ = const.
Параметр h32э равен выходной проводимости транзистора.
Значения h – параметров можно найти с помощью входных и выходных
статических характеристик транзистора.
Параметры входной цепи h21 и h22 определяют по входным характеристикам
транзистора.
Определим параметр h21э.
Для определения параметра h21 в рабочей точке задаем приращение тока
базы ∆IБ при постоянном напряжении коллектора UКЭ = 10 В и находим
получающееся, при этом, приращение напряжения базы ∆UБЭ. Тогда входное
сопротивление транзистора равно:
Определение приращений тока
Iб и напряжения Uбэ
Вычислим приращения.
Значения приращений для
определения параметра h21э
Тогда входное сопротивление транзистора можно вычислить по формуле:
h21э = ∆UБЭ/∆IБ . Вычисляем.
h21э = ∆UБЭ/∆IБ = 0,1 В/ 0,34 mА = 294 Ом.
Определим параметр h22э.
При постоянном токе базы IБ = 0,135 mА определяем приращение
напряжения на базе ∆UБЭ и приращение напряжения на коллекторе ∆UКЭ.
Порядок определения приращений
Uбэ и Uкэ
Определение значений приращений
для вычисления параметра h22э
Приращение напряжения коллектора ∆UКЭ = 10 В приращение напряжения
базы ∆UБЭ= 0,085 В. Тогда коэффициент обратной связи по напряжению равен
h22э = ∆UБЭ/∆UКЭ= 0,085 /10 = 0,0085.
Параметры h31э и h32э определяют по выходным характеристикам
транзистора. В районе рабочей точки А (IK0 = 25 mА и UКЭ0 = 10 В) на
выходной характеристике, при постоянном напряжении коллектора UКЭ= 10 В.
Определим параметр h31э.
Проводим через рабочую точку, на выходных характеристиках, линию
постоянного Uкэ, до пересечения двух соседних выходных характеристик.
Берем приращение тока базы ∆IБ (по точкам пересечения двух соседних
выходных характеристик) и определяем, получающееся при этом, приращение
тока коллектора ∆IК.
Порядок определения приращений Iб и Iк
Берем приращение тока базы ∆IБ = 0,06 mА и определяем приращение тока
коллектора ∆IК = 12,6 mА. Тогда коэффициент передачи по току равен
h31э = ∆IК/∆IБ = 12,6 mА / 0,06 mА = 210.
Определение значений приращений для вычисления
параметра h31э
Определим параметр h32э.
Параметр h32э также определяют по выходным статическим характеристикам
транзистора.
В районе рабочей точки А (IK0 = 25 mА и UКЭ0 = 10 В), на статической
выходной характеристике, при постоянном токе базы IБ = 0,135 mА, задаем
приращение коллекторного напряжения ∆UКЭ и находим приращение тока
коллектора ∆IК.
Порядок определения приращений Uкэ и Iк
Примем приращение напряжения ∆UКЭ = 4 В и получим приращение тока
коллектора ∆IК = 0,6 mА. Тогда выходная проводимость транзистора равна
h32э = ∆IК/∆UКЭ = 0,6 mА /4 В = 0,15 мСм.
Определение значений приращений для вычисления
параметра h32э
3. Определим входное сопротивление усилительного каскада, RВХ
Входное сопротивление усилительного каскада равно:
Упрощенная эквивалентная электрическая схема каскада с общим эмиттером для области средних частот.
Получим результат:
4. Определим выходное сопротивление усилительного каскада.
Выходное сопротивление усилительного каскада равно:
Упрощенная эквивалентная электрическая схема каскада с общим эмиттером для области средних частот.
Получим результат:
5. Определим коэффициент усиления по напряжению.
Коэффициент усиления по напряжению равен:
Получим результат:
6. Определим коэффициент усиления по току.
Коэффициент усиления по току равен:
Получим результат:
7. Определим коэффициент усиления по мощности.
Получим результат:
8. Определим величину выходного напряжения усилительного каскада.
Получим результат:
Расчет окончен.

39. 3. Расчет параметров Rэ, Сэ.

Усилительный каскад по схеме с ОЭ с цепью Rэ, Сэ.
Рассчет Rэ.
Rэ (0,1…0,2)Eк/IЭ0 сопротивление резистора Rэ в цепи эмиттера, где IЭ0 IК0
– ток коллектора в рабочей точке.
Подставим исходные данные — IЭ0 IК0 0,025 А – ток коллектора в рабочей
точке, Ек=20В, получим:
Rэ (0,1…0,2)Eк/IЭ0 = 0,1 20/0,025 = 80 Ом.
Емкость Сэ выбирается из условия, чтобы при подаче входного переменного
сигнала выполнялось неравенство:
Отсюда:
где min = 2

13.5.1. Расчет усилительного каскада с общим эмиттером

Принципиальная схема каскада представлена на рис. 13.12. Исходными данными для расчета являются RН (входное сопротивление КПУ или УМ, для управления которым рассчитывается данный каскад) и UВЫХm = UHm (амплитудное значение напряжения, требуемого для управления следующим КПУ или УМ).

Расчет схемы производится в следующей последовательности.

1. Выбирается сопротивление RК из следующих соображений. Коэффициент КU каскада прямо пропорционален RН» = RК || RH. Основным требованием к КПУ является обеспечение высоких коэффициентов усиления, с этой точки зрения RК необходимо выбирать много больше RН. С другой стороны, от величины RК зависит требуемое ЕК каскада. Уравнение выходной цепи каскада по постоянному току имеет вид:

Из выражения (13.9) видно, что увеличение RК ведет к увеличению требуемого ЕК, поэтому RК выбирается из условия:

В случае, если каскад с ОЭ является предоконечным каскадом усилителя, задают RK = RH с целью обеспечения согласованного режима работы предоконечного каскада и каскада УМ.

Возможен случай, когда каскад с ОЭ нагружен на каскад с ОИ, входное сопротивление которого, как правило, выше 1 МОм. В этом случае RК задают как можно большим при сохранении условия, чтобы напряжение питания рассчитываемого каскада было меньше или равно напряжению питания следующего по схеме каскада.                                            

            2. Определяется амплитуда переменной составляющей тока коллектора:

3. Задаются координаты точки покоя выходной цепи транзистора. Они должны удовлетворять условиям:

Для определения UКЭП принимают DUКЭ = 1 ÷ 2 В; IКП определяют из условия      IКП = (1,1 ÷ 1,2)IKm. Для транзисторов малой мощности, применяемых в КПУ, рекомендуется задавать IКП не менее 1 мА, чтобы точка покоя базовой цепи не располагалась на нелинейном участке входной ВАХ. Если расчетное значение IКП не удовлетворяет последнему условию, то принимают IКП = 1 мА. 

            4. Определяется ЕК каскада. Падение напряжения на сопротивлении RЭ для обеспечения высокой температурной стабильности режима покоя выбирается из условия UЭП = (0,1 ÷ 0,3)ЕК. Подставляя U ЭП в (13.9), получим выражение для расчета ЕК:

            5. Выбирается транзистор из условий: UКЭДОП > ЕК; IКДОП > IКП + IKm;                РКДОП > UКЭП×IКП;   fh21Э > (3 ¸ 5)fB.

6. Определяется ток  В справочной литературе приводится, как правило, диапазон изменения параметра h21Э транзистора. При расчете КПУ берется среднее значение h21Э. Для IбП по входной ВАХ, соответствующей UКЭ = UКЭП, определяется напряжение UбЭП. Точка покоя входной цепи транзистора должна располагаться на линейном участке ВАХ, в противном случае нужно увеличить IКП и повторить расчет. При этом параметры выбранного транзистора могут перестать отвечать условиям (п. 5), в этом случае необходимо выбрать транзистор другого типа.

7. Задается ток делителя IД = (2 ÷ 5)IбП, рассчитываются сопротивления RЭ, R1 и R2 по формулам (13.1) – (13.3).

8. Производится расчет каскада по переменному току. Схема замещения каскада по переменному току в области средних частот представлена на рис. 13.13. В схеме не учтено наличие в транзисторе внутренней обратной связи (описываемой параметром  h12Э транзистора), т.к. напряжение ОС, действующее на входе каскада UОС = h12Э × UH намного меньше UВХ. Сопротивления входного делителя R1 и R2 представлены в схеме замещения сопротивлением RД = R1 || R2.

Каталог радиолюбительских схем. Расчет однотактного выходного каскада на одном транзисторе (ОЭ).

Каталог радиолюбительских схем. Расчет однотактного выходного каскада на одном транзисторе (ОЭ).

Расчет однотактного выходного каскада на одном транзисторе (ОЭ).

Прежде всего выучим формулу закона Ома.

(Если это не помнишь — значит далее читать бессмысленно).


Рис.1.

Запись на переменном токе
(динамический расчет)

Запись на постоянном токе
(статический расчет)

I=U/R

I=E/R

U=I*R

E=I*R

R=U/I

R=E/I

, где

U , В — переменное напряжение сигнала

E , В — постоянное напряжение приложенное к сопротивлению R;

I , А — мгновенный ток в цепи R;

R , Ом — сопротивление нагрузки.

Далее стоит несколько слов сказать о параметрах транзистора, вернее пока об одном — коэффициенте усиления. Как написано в многих источниках у транзистора (как впрочем и у другого активного элемента) можно найти очень много коэффициентов усиления (если захотеть), от которых в любительских расчетах (да и не только в любительских) толку мало. Поэтому говорить мы будем только об одном — коэффициенте усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ). Раньше его обозначали греческой буквой бетта — b и называли статический коэффициент усиления тока базы. b=Iк/Iб, только вот при разных токах коллектора Iк (соттветственно и Iб) значения b=Iк/Iб несколько различны, а потому умные ученые ввели другое понятие, взятое из теории четырехполюсников (черная коробочка, а из нее выходят четыре вывола — два на вход и два на выход: наш транзистор можно легко вписать туда, если вывести общий провод — эмиттер отдельно для входа и выхода). Динамический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ — h31=DIк/DIб (DIк — приращение тока коллектора, вызванное приращением тока базы DIб). Для простоты в радиолюбительских расчетах считаем b=h31 (далее будем везде обозначать h31, не потому, что так правильнее, а просто так мне проще писать в html-файле) выбираем из справочника минимальное значение (обычно там дается вилка)

Ну вот пришло время поговорить о приятном. Итак начнем.

Кажется совсем просто — поставил транзистор, подключил к коллектору динамик и слушай музыку. Ан нет! Надо еще транзистор в режим вогнать. Какое же должно быть напряжение на базе? Ответ прост — не знаю. Дело в том, что транзистор управляется током базы и нам абсолютно все равно (т.е. по барабану), какое у него напряжение база-эмиттер. Но для расчета параметров нужно знать еще один параметр — напряжение на коллекторе.

Оно выбирается в выходных каскадах т.о., чтобы получить максимально неискаженный сигнал.

Рассмотрим схему однотактного выходного каскада в работающего в режиме A.


Рис.2.

Исходим из того, что ограничение выходного сигнала должно быть равномерное. Ограничение сверху (верхней полуволны сигнала) обусловлено достижением потенциала коллектора напряжения источника питания и наступает при полностью закрытом транзисторе. Коллекторный ток, а следовательно и базовый (Iб=Iк*h31) равны нулю. Ограничение снизу (нижней полуволны сигнала) наступает при полностью открытом транзисторе, т.е. Iк>>IRк. Тогда внутреннее сопротивление открытого транзистора мало и не оказывает влияние на ток, в коллекторной цепи. В эмиттерной цепи к току коллектора добавляется ток базы, но так как он достаточно мал (в коэффициент усиления тока h31 раз меньше Iк — примерно 50-100 раз) — им можно пренебречь и принять что ток коллектора равен току эмиттера. Тогда ограничение снизу наступит при Uвых=Uкн=Iк*Rэ=[Eп/(Rк+Rэ)]*Rэ. Выбираем Rэ<<Rк. Как показано в [1] можно с достаточной точностью считать коэффициент усиления нашего выходного каскада Kус=Rк/Rэ (благодаря наличию отрицательной обратной связи обусловленной введением того же Rэ).

Но коллекторное и эмиттерное сопротивления влияют и на другие важные параметры усилительного каскада, а именно на входное (Rэ) и выходное (Rк) сопротивления.

С достаточной степенью точности можно считать, что входное сопротивление каскада Rвх=Rэ*h31, а выходное примерно равно Rвых=Rк.

Вот здесь надо найти компромисс (расчет всегда компромисс).

I).Для увеличения коэффициента усиления необходимо:

а)уменьшать Rэ;

б)увеличивать Rк.

Для увеличения максимального выходного неограниченного напряжения необходимо:

а)уменьшать Rэ;

б)увеличивать Rк.

Это обусловлено тем, что полезное напряжение снимается только с Rк рис.3.


Рис.3.

II).Но для согласования с предыдущим каскадом входное сопротивление, а следовательно и Rэ=Rвх/h31 должно быть как можно больше.

Для согласования с последующим каскадом выходное сопротивление, а следовательно и Rк=Rвых должно быть как можно меньше.

В продолжении надо сказать еще, что номинал резисторов Rк и Rэ ограничивает тока транзистора и рассеиваемую на нем мощность нашего каскада.

Итак начнем расчет. Питающее напряжение Eп=12 В

1.Принимаем Rк=(5-15)*Rэ=10*Rэ

2.Транзистор КТ315Г(самый распространенный в России). Pmax=150 мВт; Imax=150 мА, h31>50.

Не стоит работать на максимальных токах. Коэффициент запаса не должен превышать 0,8.

Найдем максимальный статический ток коллектора Iкmax. Он определяется максимальной мощностью, рассеиваемой транзистором. Iкmax равен статическому (постоянному) току транзистора без сигнала или при неограниченном (симметричном) гармоническом сигнале (синусоиде).

Рассмотрим рис.3. Режимы транзистора в моменты времени, кратные p/2 гармонического сигнала представлены в таблице.

t

Напряжение
коллектор-эмиттер
Uкэ

Ток
коллектора

Мощность, рассеиваемая
на транзисторе
Pрас

p/2

Eп

0

0

p

Eп/2

(Eп/2)/(Rк+Rэ)

[(Eп/2)/(Rк+Rэ)]*(Eп/2)

3/2p

0

Eп/(Rк+Rэ)

0

2p

Eп/2

(Eп/2)/(Rк+Rэ)

[(Eп/2)/(Rк+Rэ)]*(Eп/2)

Из таблицы видим, что максимальная мощность рассеивается на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через точку статического режима транзистора (p, 2p и т. д.).

Принимаем Pрас.max=0,8*Pmax=0,8*150 мВт=120 мВт

Ток коллектора в статическом режиме (без сигнала) определим Iк0=Pрас.max/Uкэ0=Pрас.max/(Eп/2)=120 мВт/(12 В/2)=20 мА

3.Тогда, учитывая что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах (Rк+Rэ)=(Eп/2)/Iк0=(12 В/2)/20 мА=6 В/ 0,02 А=300 Ом

4.Учитывая п.1, а так же существующий ряд номиналов резисторов находим: Rк=270 Ом; Rэ=27 Ом (я думаю легче найти резистор номиналом 27 Ом, чем 30).

5.Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала. Для этого определим максимумы напряжения переменного сигнала (это мы найдем удвоенную амплитуду),

Uк0=(Uкэ0+ Iк0*Rэ)=(Eп-Iк0*Rк)=(12 В -0,02 А *270 Ом)=6,6 В (очень внимательно следите за размерностью величин!!!)

6.Базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается базовым резистивным делителем Rб1,Rб2. Ток базы Iб=Iк/h31=или примерно=[Eп/(Rк+Rэ)]/h31=[12 В/(270 Ом+27 Ом)]/50=0,0008 А=0,8 мА. Ток резистивного базового делителя должен быть много больше (5-10 раз) тока базы, чтобы последний не оказывал влияния на напряжение смещения. Выбираем ток делителя Rб1,Rб2 Iд=10*Iб=10*0,8 мА=8,0 мА. Тогда Rб1+Rб2=Eп/Iд=12 В/8 мА=1,5 кОм.

Кроме закона Ома при расчете транзисторного каскада необходимо помнить следующий постулат: напряжение б-э рабочего транзистора никогда не может превысить 0,7 В!!! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно Uэ=Iк0*Rэ= 0,02 А*27 Ом=0,54 В, где Iк0 — ток покоя транзистора, который можно рассчитать из условия, что без сигнала на транзисторе падает половина питающего напряжения (это напряжение между осями сигнала рис.3). Итак падение напряжения на эмиттере транзистора в режиме без сигнала (впрочем даже если подать сигнал ничего не изменится при условии что выходной сигнал не ограничен) равно Uэ=Iэ0*Rэ или примерно Uэ=Iк0*Rэ или совсем точно (на расчеты это вряд ли повлияет) Uэ=(Iк0+Iб0)*Rэ==(Iк0+Iк0/h31)*Rэ= Iк0*[(h31+1)/h31]*Rэ=20 мА* 27 Ом=0,02 А*27 Ом=0,54 В.

Напряжение на базе считаем напряжение б-э транзистора в режиме равным 0,66 В равно Uб=Uэ+Uбэ=0,54 В+0,66 В=1,2 В. Тогда Rб2= (Rб1+Rб2)*Uб/Eп=1,5 кОм*1,2 В/12В=0,15 кОм. Или по ряду 150 Ом. Rб1=(Rб1+Rб2)-Rб2=1,5 кОм-0,15 кОм=1,35 кОм. Или по ряду в сторону уменьшения (т.к. через этот резистор еще течет ток базы) Rб1=1,3 кОм.

Ну вот и весь расчет, кроме частотного. Для поверки можем собрать все это на монтажной плате. И проверить на частоте 400-1000 Гц Конденсаторы номиналом порядка 5-10 мкФ.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада на транзисторе зависит от многих параметров, но для любительских целей расчет можно значительно упростить.

На нихних частотах АЧХ зависит от времени перезаряда разделительного конденсатора через последовательно соединенные входное сопротивление нашего каскада, блокировочный конденсатор, резистор коллекторной нпгрузки предыдущегго каскада. Т.к. Входно сопротивление нашего каскада гораздо больше выходного, а емкость блокировочного конденсатора много больше емкости рпзделительного, то можно с достаточной точностью сказать, что АЧХ каскада в области нихних частот определяется постоянной времени tн=Rвх*Cвх, где Rвх=Rэ*h31, Cвх — разделительная входная емкость нашего каскада. Да и помните, что Cвых нашего каскада это Cвх следующего и расчитывается она так же Граничная частота среза каскада fн=1/(tн), где fн нижняя граничная частота. Необходимо выбирать 1/(tн)=1/(Rвх*Cвх)<<fн в 3-30 раз (в зависимости от числа каскадов и соответственно числа разделительных конденсаторов). Каждый конденсатор добавляет свой спад АЧХ. Идеально надо бы выбирать 1/(tн)=1/(Rвх*Cвх)<<fн в 30-100 раз для всех каскадов (как правило достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ) кроме последнего. В последнем каскаде, как правило, через Cвых запитана нагрузка с достаточно низким сопротивлением, а следовательно номинал емкости приходится увеличивать до 100,0-1000,0 мкФ. И даже этого бывает мало, но приходится идти на пределе для снижения габаритов схемы.

В области верхних частот спад АЧХ определяеттся постоянной времени tв=Rвых*Cк=RкCк, где Cк — паразитная емкость коллекторного перехода (определяется по справочнику). Но так как для звуковых частот емкость современных кремниевых транзисторов можно считать незначительной — практически любой транзистор будет работать до частот порядка 200-300 кГц в любой любительской схеме.

Евгений Мерзликин

Литература

. 1.Расчет транзисторного каскада (http://irlx.narod.ru/rlts.htm).



Каскад с общим коллектором эмиттерный повторитель

Схему рис. 1.23а называют каскадом с общим коллектором (ОК), потому что коллекторный вывод транзистора по переменному току является общим электродом для входной и выходной цепей каскада. Схема также называется эмиттерным повторителем, т.к. выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора близко по величине входному напряжению ( Uвых = Uвх + Uбэ Uвх ) и совпадает с ним по фазе.
Рисунок 1.23 — Схема усилительного каскада ОК (а) и его схема замещения (б)
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:

Rвх = R1 || R2 || rвх


Из эквивалентной схемы замещения рис.1.23б можно найти: Uвх = Iб [rб + (1 + )(rэ + Rэ || Rн)]
а разделив левую и правую часть уравнения на Iб получим: rвх = rб + (1 + )(rэ + Rэ || Rн)
Если принять, что rэ и rб значительно меньше других составляющих полученного выражения, то входное сопротивление транзистора , включенного по схеме ОЭ rвх (1 + )(Rэ || Rн),
а входное сопротивление каскада ОК: Rвх R1 || R2 || (1 + )(Rэ || Rн)
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:
откуда:
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

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


Выходное сопротивление каскада ОК мало и составляет 10 — 50 Ом, поэтому каскад ОК целесообразно использовать при необходимости согласования выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки.

Курсовая «Усилительный каскад с общим эмиттером» по методичке М. С. Родюкова: Вариант 07, 16

Есть готовые курсовые на тему «Расчитать усилительный каскад с общим эмиттером на базе ГТ108Б» и «Рассчитать усилительный каскад с общим эмиттером на базе  транзистора КТ208А».

Варианты задания

Тип Тип
варианта транзистора варианта транзистора
0 МП21Г 15 КТ201Г
1 МП21Д 16 КТ208А
2 МП39 17 КТ209Б
3 МП40 18 ГТ310А
4 МП41А 19 ГТ310Б
5 МП42А 20 П416
6 МП42Б 21 П416А
7 ГТ108Б 22 П416Б
8 ГТ108Г 23 КТ3107А
9 МП114 24 КТ3107Б
10 МП116 25 КТ3107К
11 КТ104А 26 КТ313А
12 КТ104Б 27 КТ313Б
13 КТ104В 28 КТ345А
14 КТ201Б 29 КТ345Б

Для определения номера варианта необходимо взять две последние цифры номера студенческого билета и определить номер варианта согласно следующей таблицы:

2 последние цифры билета Способ вычисления варианта
от 00 до 29 Дополнительных действий не требуется
от 30 до 59 Вычесть из полученного числа 30
от 60 до 89 Вычесть из полученного числа 60
от 90 до 99 Вычесть из полученного числа 90

 

Порядок расчёта

3.1. Расчёт параметров транзистора
1. Для полученного в задании транзистора найти входные и выходные характеристики для схемы с общим эмиттером. Для этого можно воспользоваться прилагаемыми к данному пособию их копиями или специализированными справочниками, например [3].
Эти характеристики необходимо перенести в свою работу (или на отдельный, прилагаемый к ней, лист).
Помимо входных и выходных характеристик необходимо иметь значения ΔIБ, UКЭmax, IКmax, PКmax и CК
2. Графическим методом определить h–параметры транзистора для схемы с общим ОЭ (см. раздел 2.1.4).
По входным характеристикам:
h21

Расчёт усилительного каскада по постоянному
току
1. Изобразить семейство выходных характеристик, входную характеристику при UКЭ = 5В и оси для построения переходной (IК =
f(IБ)) характеристики заданного транзистора как показано на рис. 3.1.
Входная характеристика изображается повёрнутой на 90◦ против часовой стрелки.
Оси для построения передаточной характеристики строятся в размерности, соответствующих осей входной и выходной характеристик и на одной линии с осями этих характеристик (пунктирные линии на рис. 3.1).
2. На выходных характеристиках нанести кривую допустимой мощности PКmax, рассеиваемой на коллекторе (строится на основе выражения PКmax = UКЭIК = const, например, по зависимости IК = PКUКmЭax) а также линии UКЭmax и IКmax.
Эти три линии ограничивают область допустимых значений (рис. 3.2).
3. Выбрать значение напряжения источника питания EК в пределах (
4. Из условия передачи максимальной мощности от источника энергии в диапазоне RК = (0,5… 10)кОм и обеспечивала максимально возможное значение амплитуды выходного сигнала.
5. На выходных характеристиках транзистора построить нагрузочную линию (раздел 2.2.3). Нагрузочная линия строится по уравнению UКЭ = EК − IКRК, которое имеет линейный характер является прямой линией. Для этой линии мы найдём точки пересечения с осями, для этого мы найдём значения этого выражения при UКЭ = 0 и IК = 0 (точки d и c соответственно):

входных характеристиках транзистора и соединяются прямой линией. Эта линия не должна пересекать построенную ранее область, ограниченную максимальными значениями тока, напряжения и мощности коллектора (рис. 3.2).
6. Построить переходную характеристику. Для этого необходимо отметить на оси IБ входной характеристики точки, соответствующие токам базы, для которых приведены выходные характеристики, пересекаемые нагрузочной линией. По точкам пересечения линий, проведённых из выделенных точек входных и выходных характеристик, построить переходную характеристику (рис. 3.3).
7. На переходной характеристике транзистора (с учетом входной характеристики) выбрать линейный участок ”a–b”, в диапазоне которого усилитель усиливает без искажения. На середине участка ”a–b” нанести рабочую точку ”A”, соответствующую режиму работы транзистора по постоянному току (рис. 3.4).
8. По координатам рабочей точки ”A” определить токи и напряжения транзистора в режиме покоя (постоянные составляющие входных и выходных токов и напряжений): IБ0, IК0, UБЭ0, UКЭ0 (рис. 3.4).
3.3. Расчёт усилительного каскада по переменному току
1. По построениям, проведенным в предыдущем разделе (рис. 3.4), определить пределы изменения амплитуд входного и выходных
токов и напряжений (IБm, IКm, UБЭm, UКЭm), с учётом того, что изменение переменной составляющей сигнала должно происходить между точками a и b соответствующих характеристик, а его нулевой уровень – точке A (рабочей точке).

Графически показать изменение токов и напряжений на построениях, сделанных в пункте 3.2, считая входное напряжение uВх синусоидальным (т.к. целью работы является расчёт усилительного каскада, работающего в линейном режиме, то и все остальные токи и напряжения также должны меняться по закону синуса).
Записать выражения, соответствующие полученным зависимостям тока и напряжения от времени в следующем виде:

Расчёт параметров элементов усилителя с ОЭ
1. Рассчитать элементы цепи термостабилизации RЭ и СЭ.
• сУввяезлиичвеонивехоRдЭнопйовцыешпаиетусгиллуибтиенлуяо(турлиуцчатшеалеьтнотйеромборсаттанбоий-
лизацию), с другой стороны, при этом падает КПД усилителя из–за дополнительных потерь мощности на этом сопротивлении. Обычно выбирают величину падения напря
жения на RЭ порядка (0, 1 . . . 0, 3)EК, что равносильно выбо тру RЭ ≈ (0,05… 0,15)RК в согласованном режиме работыранзистора. Используя последнее соотношение выбираем величину RЭ.
• вДлсяооктовлелтескттвоириносо–вэтмоиртытмерзнаокйонцеопмиКуисрихлгиотфелаьнмоогжонкоасзкаапдиа-
сать уравнение электрического состояния по постоянному току:

Коэффициент усиления схемы с общим эмиттером

=20 мкФ.

Коэффициент усиления каскада по напряжению

1. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник/Под ред. Н. Н. Горюнова,-М.: Энергоатомиздат, 1983.

2. Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. Киев: Техника, 1980.

3. Справочник радиолюбителя-конструктора, – М.: Энергия, 1977.

4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник/Под ред. Б, Л. Перельмана, – М.: Радио и связь, 1981.

Схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi. В настоящее время она обычно применяется в виде готовых интегральных микросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы, практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы.Именно поэтому при приеме на работу и поиске сотрудников основным требованием является знание принципов работы усилителей с ОЭ.

Усилитель, каким бы он не был, (усилитель аудио, ламповый усилитель или усилитель радиочастоты) представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.


Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим эмиттером — это усилитель, где эмиттер транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером приведена на рисунке 2.


Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. В настоящее время схема с общим эмиттером практически не применяется в звуковых усилителях, однако в схемах усилителей телевизионного сигнала, усилителях GSM или других высокочастотных усилителях она находит широкое применение. Для питания транзистора в схеме с общим эмиттером можно использовать два источника питания, однако для этого потребуется два стабилизатора напряжения. В аппаратуре с батарейным питанием это может быть проблематично, поэтому обычно применяется один источник питания. Для питания усилителя с общим эмиттером может подойти любая из рассмотренных нами схем:

  • схема с фиксированным током базы,
  • схема с фиксированным напряжением на базе,
  • схема с коллекторной стабилизацией,
  • схема с эмиттерной стабилизацией.

Рассморим пример схемы усилителя с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией режима работы транзистора. На рисунке 3 приведена принципиальная схема каскада на биполярном npn-транзисторе, предназначенная для усиления звуковых частот.


Рисунок 3 Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером

Расчет элементов данной схемы по постоянному току можно посмотреть в статье «схема эмиттерной стабилизации». Сейчас нас будут интересовать параметры усилительного каскада, собранного по схеме с общим эмиттером. Его наиболее важными характеристиками является входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по мощности. В основном эти характеристики определяются параметрами транзистора.

Входное сопротивление схемы с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером входное сопротивление транзистора RвхОЭ можно определить по его входной характеристике. Эта характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой p-n перехода. Пример входной характеристики кремниевого транзистора (зависимость напряжения Uб от тока базы Iб) приведен на рисунке 4.


Рисунок 4 Входная характеристика кремниевого транзистора

Как видно из этого рисунка, входное сопротивление транзистора RвхОЭ зависит от тока базы Iб0 и определяется по следующей формуле:

(1)

Как определить ΔUб0 и ΔIб0 в окрестностях рабочей точки транзистора в схеме с общим эмиттером показано на рисунке 5.


Рисунок 5 Определение входного сопротивления схемы с общим эмиттером по входной характеристике кремниевого транзистора

Определение сопротивления по формуле (1) является наиболее точным способом определения входного сопротивления. Однако при расчете усилителя мы не всегда имеем под рукой транзисторы, которые будем использовать, поэтому было бы неплохо иметь возможность рассчитать входное сопротивление аналитическим способом. Вольтамперная характеристика p-n перехода хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

(2)

где Iб — ток базы в рабочей точке;
Uбэ — напряжение базы в рабочей точке;
Is — обратный ток перехода эмиттер-база;
— температурный потенциал;
k — постоянная Больцмана;
q — заряд электрона;
T — температура, выраженная в градусах Кельвина.

В этом выражении коэффициентом, нормирующим экспоненту, является ток Is, поэтому чем точнее он будет определен, тем лучше будет совпадение реальной и аппроксимированной входных характеристик транзистора. Если в выражении (2) пренебречь единицей, то напряжение на базе транзистора можно вычислить по следующей формуле:

(3)

Из выражения (1) видно, что входное сопротивление является производной напряжения на базе транзистора по току. Продифференцируем выражение (3), тогда входное сопротивление схемы с общим эмиттером можно определить по следующей формуле:

(4)

Однако график реальной входной характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, отличается от экспоненциальной функции. Это связано с тем, что омическое сопротивление полупроводника в базе транзистора не равно нулю, поэтому при больших базовых токах транзистора в схеме с общим эмиттером ее входное сопротивление будет стремиться к омическому сопротивлению базы rбб’.

Входной ток схемы с общим эмиттером протекает не только через входное сопротивление транзистора, но и по всем резисторам цепей формирования напряжения на базе транзистора. Поэтому входное сопротивление схемы с общим эмиттером определяется как параллельное соединение всех этих сопротивлений. Пути протекания входного тока по схеме с общим эмиттером показаны на рисунке 6.


Рисунок 6 Протекание тока по входным цепям схемы с общим эмиттером

Значительно проще вести анализ данной схемы по эквивалентной схеме входной цепи, где приведены только те цепи, по которым протекает входной ток от источника сигнала. Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером приведена на рисунке 7.


Рисунок 7 Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером

Данная схема построена для средних частот с применением эквивалентной схемы транзистора. На средних частотах входная емкость транзистора не оказывает влияния, поэтому мы ее не отображаем на эквивалентной схеме. Сопротивление конденсатора C3 на средних частотах близко к нулю, поэтому на схеме нет элементов R4C3. Элементы Rвых и h21×iвх не влияют на входную цепь и изображены на схеме для отображения усилительных свойств транзистора.

И, наконец, мы можем записать формулу входного сопротивления схемы с общим эмиттером:

(5)

После изготовления усилителя, рассчитанного по приведенным выше методикам необходимо измерить входное сопротивление схемы с общим эмиттером. Для измерения входного сопротивления используют схему измерения входного сопротивления усилителя, изображенную на рисунке 8. В данной схеме для измерения входного сопротивления используются измерительный генератор переменного напряжения и два высокочастотных вольтметра переменного тока (можно воспользоваться одним и сделать два измерения).


Рисунок 8 Схема измерения входного сопротивления усилительного каскада

В случае, если сопротивление Rи будет равно входному сопротивлению усилителя, напряжение, которое покажет вольтметр переменного тока V2, будет в два раза меньше напряжения V1. В случае, если нет возможности изменять сопротивление Rи при измерении входного сопротивления, входное сопротивление усилителя можно вычислить по следующей формуле:

(6)

Выходное сопротивление схемы с общим эмиттером

Выходное сопротивление транзистора зависит от конструктивных особенностей транзистора, толщины его базы, объемного сопротивления коллектора. Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, можно определить по выходным характеристикам транзистора. Пример выходных характеристик транзистора приведен на рисунке 9.


Рисунок 9 Выходные характеристики кремниевого транзистора

К сожалению, в характеристиках современных транзисторов выходные характеристики обычно не приводятся. Связано это с тем, что их выходное сопротивление достаточно велико и выходное сопротивление транзисторного каскада с общим эмиттером определяется сопротивлением нагрузки. В схеме, приведенной на рисунке 6, это сопротивление резистора R3.

Дата последнего обновления файла 31.05.2018

  1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
  2. npn транзистор общего назначения КТ3130
  3. NPN general purpose transistors BC846; BC847; BC848 (один из лучших транзисторов, известных мне)
  4. BFQ67 NPN 8 GHz wideband transistor
  5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
  6. Электротехника и электроника Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Вместе со статьей «Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)» читают:

Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

(ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени  М.Т. Калашникова»)

Приборостроительный факультет

Кафедра «Радиотехника»

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К курсовой работе по дисциплине «СхАЭУ»

По теме: «Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером»

Вариант 2

 

 

 

Выполнил студент

Группы С06-201-1

Михайлов Г.В.

Проверил: Караваев П.В.

 

 

 

 

 

 

Ижевск 2015

Задание

На курсовую работу по дисциплине «СхАЭУ».

   Курсовая работа выполняется по методическим рекомендациям, изложенным в пособии «Об-щая электротехника и электроника: учебное пособие по курсовому проектированию / З.М. Селиванова, Ю.Л. Муромцев. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. – 120 с. ».

   Расчет производить  для отечественного транзистора. Зарубежный аналог выбирать из условия наличия его модели в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap, Electronics Workbench или др. Типы транзисторов не должны совпадать у разных студентов.

   В качестве обязательных материалов необходимо привести характеристики и параметры транзисторов, схему электрическую принципиальную, перечень элементов, модель усилительного каскада.

   Провести моделирование рассчитанного усилительного каскада.

     Курсовую работу сдавать в печатном и электронном виде со всем дополнительным материалом.

 

 

Содержание

1. Цель данной курсовой работы  6

2. Постановка задачи  7

3. Расчет однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером 9

3.1. Расчёт усилителя по постоянному току 11

3.2. Расчёт усилителя по переменному току  16

3.3. Построение частотных характеристик усилителя 20

3.4. Оценка искажений усилителя  29

4. Моделирование работы усилителя в среде Electronics Workbench 30

  • Заключение 36
  • Список литературы 37
  • Приложение А. Параметры усилительного каскада 38
  • Приложение Б. Шкалы номинальных значений сопротивлений резисторов и ёмкостей конденсаторов 39
  • Приложение В. Перечень элементов и схема электрическая принципиальная 41

 

 

Введение

   Важной задачей при проектировании радиоэлектронных средств является усиление электрических сигналов по току, напряжению или мощности до требуемой величины и, следовательно, разработка теории усилителей и методика их расчёта.

   Целью курсовой работы по дисциплине «СхАЭУ» является приобретение навыков самостоятельного расчёта современных усилителей на биполярных и полевых транзисторах. При расчёте усилительных устройств первоочередной задачей является проведение сравнительного анализа схемотехники усилителей аналогичного назначения. Кроме того, необходимо учитывать новейшие достижения усилительных устройств и современной элементной базы.

   При проектировании усилителей рекомендуется изучить и использовать известные программные продукты, например, программу «Electronics Worckbench» с целью моделирования используемых электронных компонентов, расчёта и анализа усилительных устройств.

   Расчёт усилительного каскада на биполярном транзисторе является характерным примером, охватывающем большое количество разделов не только электроники, но и электротехники, среди которых можно выделить следующие: цепи переменного тока, нелинейные цепи, четырёхполюсник, теорию обратных связей, полупроводники. При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

 

 

1.Цель курсовой работы

Цели и задачи курсовой работы.

 

Цели:

— обобщение и закрепление знаний, полученных по дисциплине «СхАЭУ»;

— расширение знаний студентов о физических процессах в полупроводниковых элементах, их параметрах и характеристиках, о физических процессах, протекающих в электронных цепях и средствах с учётом влияния паразитных параметров и отклонений параметров элементов схем;

— изучение методов расчёта  и анализа усилительных устройств  с использованием современных  информационных технологий, программных  продуктов и компьютерных технологий;

— развитие навыков практического  применения теоретических знаний  и принятия инженерных решений;

— освоение принципов построения  усилительных устройств на основе  биполярных и полевых транзисторов;

 

Задачи:

— научиться работать с  научно-технической и справочной  литературой при изучении и  проектировании усилительных устройств  в соответствии с техническим  заданием;

— применить знания, полученные  в курсе инженерной и компьютерной  графики для выполнения конструкторской  документации в курсовой работе;

— расширить кругозор студентов  в процессе самостоятельного  изучения научно-технической литературы, справочников по полупроводниковым  приборам и электронным устройствам, как по основной, так и по  дополнительной рекомендуемой литературе.

 

2.Постановка задачи:

Выполнение курсовой работы нужно начинать с четкого уяснения поставленной задачи. Необходимо ответить на вопросы:

 что задано?

 какой должен быть  получен результат?

 как получить результат?

 

Исходные данные:

Исходными данными для расчёта усилительного каскада с общим эмиттером являются следующие:

1) Uп – напряжение источника питания;

2) Um – амплитуда напряжения на выходе усилительного каскада;

3) Rн – сопротивление нагрузки;

4) уровни рабочего диапазона  частот: fн, fв – нижнее и верхнее значения усиливаемой полосы частот;

5) значения допустимого уровня  частотных искажений на нижней  и верхней граничных частотах:

Mн, Mв – уровни частотных искажений на нижней и верхней граничной частоте;

6) рабочий диапазон температур  окружающей среды: tmin, °C, tmax, °C – минимальное и максимальное значения температуры;

7) Ri – сопротивление источника входного сигнала;

8) режим работы усилительного  каскада – класс А.

   Исходные данные для 2 варианта:

Uп = 25 В;

Rн = 117 Ом;

fн =10 Гц;

Mн = 1,2;

Mв = 1,4;

tmin = 0 °C;

tmax = 90 °C;

Ri = 900 Ом.

 

 

Результат:

   В результате расчёта  и анализа усилительного каскада  должны быть определены, рассчитаны  параметры транзистора и каскада  и выполнено графическое построение  следующим образом:

    1. Выбрать тип  транзистора по рассчитанным: току  коллектора Iк, мощности транзистора P, верхней рабочей частоте fв и напряжению Uкэ, и вольтамперные статические входные и выходные характеристики.

    2. На статических  характеристиках построить нагрузочную  прямую, рабочую точку и определить ток и напряжение покоя ( Iкп, Uкэп).

    3. По статическим  входным и выходным характеристикам  определить h-параметры транзистора:

h21 – входное сопротивление;

h22 – коэффициент обратной связи по напряжению;

h31 – коэффициент передачи тока базы;

h32 – выходную проводимость.

    4. Рассчитать номинальные  значения сопротивлений и ёмкостей  конденсаторов принципиальной электрической  схемы усилительного каскада.

    5. Rвх – входное сопротивление усилителя.

    6. Rвых – выходное сопротивление усилителя.

    7. KU – коэффициент передачи (усиления) по напряжению входного сигнала.

    8. KI – коэффициент передачи по току входного сигнала.

    9. KP –коэффициент усиления по мощности входного сигнала.

    10. Определить  частотные искажения усилителя.

    11. Построить схемы  замещения усилительного каскада.

    12. Определить  передаточные функции для схем  замещения усилителя.

   13. На основе передаточных  функций схем замещения построить  амплитудно-частотную и фазочастотную  характеристики усилителя.

 

3.Расчет однокаскадного  усилителя на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером

   Схема усилительного  каскада на биполярном транзисторе  с ОЭ приведена на рис.1. Усилительный  каскад выполнен на биполярном  транзисторе n-p-n-типа. На вход усилителя  подключен источник входного  сигнала Ec,

Рис.1 – схема усилительного каскада с ОЭ

который имеет внутреннее сопротивление Ri. Конденсаторы Cp1 и Cp2 предназначены для разделения режима работы усилителя по постоянному току, не пропускают постоянную составляющую переменного сигнала.    

   Резисторы Rб1 и Rб2 составляют делитель напряжения на входе транзистора, формируют напряжение смещения, которое определяет положение рабочей точки транзистора на нагрузочной прямой на выходных характеристиках транзистора. Резистор Rк является нагрузочным в цепи коллектора по постоянному току, определяет выходное сопротивление усилительного каскада и коэффициент усиления по напряжению KU. С увеличением значения Rк (до определённого ограничения) коэффициент KU возрастает.

   Для термостабиизации  рабочей точки транзистора применяется  последовательная отрицательная  обратная связь по току, которая  формируется через резистор Rэ. Конденсатор Cэ является шунтирующим, служит для увеличения коэффициента усиления каскада по переменной составляющей, а также для формирования частотной характеристики усилителя. Усилительный каскад на рис.1 имеет параллельную структуру, является фазоинверсным, так как фаза выходного напряжения изменяется на угол π по отношению к входному напряжению[3]. Усилитель с ОЭ усиливает входной сигнал по току, напряжению и мощности. Входное сопротивление каскада определяется сопротивлениями Rб1, Rб2 и входным сопротивлением транзистора h21. Выходное сопротивление каскада зависит от сопротивления коллектора

                                             (1)

   Коэффициент усиления  по напряжению определяется зависимостью  выходного напряжения от входного:

                                                     (2)

   Ток коллектора  рассчитывается на основе тока  базы Iб и коэффициента передачи тока базы β

                                                    (3)

   Частотные свойства  усилителя зависят от частотных  характеристик базового транзистора, выходного сопротивления источника  сигнала и нагрузки.

   Нелинейные искажения  усилительного каскада определяются  внутренним сопротивлением генератора  на входе, сопротивлением нагрузки  и уровнем амплитуды выходного  сигнала.

   Усилительные каскады  на биполярных транзисторах находят  наибольшее применение в предварительных  усилительных каскадах, так как  усиливают ток и напряжение, а, следовательно, обеспечивается усиление сигнала по мощности.

 

3.1.Расчёт усилителя по постоянному току

   Основываясь на  исходных данных, приведенных в пункте 2, проведем расчет усилительного каскада.

   Выбираем транзистор VT, исходя из выполнения следующих  условий. Сопротивление коллектора

 

Rк = KнRн                                                        (4)

где Kн = 5…10.

   Выбираем Rк = 7·117 Ом = 819 Ом (для Kн=7). Рассчитанное значение сопротивления коллектора выбираем из номинального ряда Rк =820 Ом (Таблица 2 , приложение Б).

   U кэmax доп ≥Uп , принимаем   U кэmax доп = 25В

   Допустимая максимальная  мощность

P кmax доп ≥ Iкп*Uкэп                                               (5)

Цепь одноступенчатого усилителя с общим эмиттером

Схема одноступенчатого усилителя с общим эмиттером:

Технические характеристики — Схема смещения для схемы одноступенчатого усилителя с общим эмиттером, показанная на рис. 12-1, и анализ схемы по переменному току уже объяснен. Проектирование этой схемы (или любой другой схемы) обычно начинается со спецификации, в которой могут быть перечислены: напряжение питания, минимальное усиление по напряжению, частотная характеристика, полное сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки.

Выбор I C , R C и R E

Проектирование для конкретного коэффициента усиления по напряжению требует использования отрицательной обратной связи по переменному току для стабилизации коэффициента усиления. В схеме, показанной на рис. 12-1, отсутствует отрицательная обратная связь, следовательно, она предназначена для достижения максимально возможного усиления по напряжению. Из уравнения. 6-15, коэффициент усиления по напряжению схемы одноступенчатого усилителя с общим эмиттером,

Поскольку A v прямо пропорционален R C || R L , конструкция для максимального усиления напряжения, по-видимому, потребует выбора максимально возможного сопротивления коллектора.Однако очень большое значение R C может сделать ток коллектора слишком малым для удовлетворительной работы транзистора. Для большинства малосигнальных транзисторов I C не должно быть меньше 500 мкА. Хороший минимум I C , к которому нужно стремиться, составляет 1 мА. Специальные малошумящие транзисторы работают с гораздо более низкими уровнями тока коллектора.

Значение транзистора h fe связано с I C , поэтому I C может быть выбран высоким, чтобы получить наибольшее значение h fe , опять же, чтобы получить наибольшее значение A v .Но высокий уровень I C приводит к небольшому значению R C для данного падения напряжения (V RC ). Таким образом, высокий уровень I C может фактически привести к низкому значению A v , хотя h fe может быть относительно большим.

Для заданного уровня I C максимально возможное падение напряжения на R C дает наибольшее значение R C (R C = V RC / I C ). Чтобы сделать V RC как можно большим, V CE и V E следует свести к минимуму, [см. Рис.12-2 (а)]. Напряжение коллектор-эмиттер обычно должно составлять около 3 В. Этого достаточно, чтобы гарантировать, что транзистор работает линейно, а также допускает размах напряжения на коллекторе ± 1 В, что обычно достаточно для усилителя слабого сигнала. Еще одно соображение при выборе R C заключается в том, что увеличение R C по сравнению с R L ничего не даст. Фактически, R C обычно должно быть намного меньше, чем R L , так что R L мало влияет на усиление напряжения схемы.

Для хорошей стабильности смещения падение напряжения на эмиттерном резисторе (V E ) должно быть намного больше, чем напряжение база-эмиттер (V BE ). Это связано с тем, что V E = V B — V BE , а когда V E ≫ V BE , V E будут незначительно затронуты любым изменением в V BE (из-за изменение температуры или другие эффекты). Следовательно, I E и I C остаются достаточно стабильными при I C ≈ I E = V E / R E .Минимальное напряжение V E , равное 5 В, дает хорошую стабильность смещения в большинстве случаев [см. Рис. 12-2 (a)]. При напряжении питания менее 10 В, V E , возможно, придется снизить до 3 В, чтобы обеспечить разумные уровни V CE и V RC . Обычно падение напряжения на эмиттерном резисторе менее 3 В может привести к плохой стабильности смещения.

После выбора V E , V CE и I C , V RC определяется как,

Затем рассчитывается R C и R E ,

Резисторы смещения:

Как мы уже знаем, выбор тока делителя напряжения (I 2 ) как I C /10 дает хорошую стабильность смещения и достаточно высокое входное сопротивление.Если входное сопротивление не имеет значения, I 2 можно сделать равным I C для превосходной стабильности смещения. Резисторы смещения рассчитываются как,

Выбор R 2 = 10 R E дает I 2 ≈ I C /10, [Рис. 12-2 (b)]. Точный уровень I 2 можно рассчитать как I 2 = V B / R 2 , и это можно использовать в уравнении для R 1 .

Байпасный конденсатор:

Все конденсаторы должны быть выбраны так, чтобы иметь минимально возможное значение емкости, как для минимизации физического размера схемы, так и для экономии (большие конденсаторы являются наиболее дорогими).Поскольку каждый конденсатор имеет наивысший импеданс при самой низкой рабочей частоте, значения конденсатора рассчитываются при самой низкой частоте сигнала, которую схема должна усилить. Эта частота является нижней частотой среза схемы или низкой частотой 3 дБ (f 1 ) (см. Рис. 12-3).

Шунтирующий конденсатор C 2 на рис. 12-1 обычно является самым большим конденсатором в цепи, поэтому выбирается C 2 , чтобы установить f 1 на желаемую частоту.Коэффициент усиления по напряжению был разработан для одноступенчатой ​​схемы усилителя с общим эмиттером с эмиттерным резистором без шунтирования (R E ). Переписав уравнение, чтобы включить X C2 параллельно с R E , мы получим

Обычно R E ≫ X C2 , поэтому R E можно не указывать. Также X C2 емкостный,

так,

при h fe = (1 + h fe ) X C2 ,

Следовательно, при f 1 ,

При f 1 ,

Уравнения 12-2 и 12-3 дают наименьшее значение для байпасного конденсатора.При выборе стандартного значения для конденсатора следует выбрать следующее большее значение. Это даст частоту среза немного ниже, чем значение f 1 , используемое в расчетах.

Важно отметить, что конденсатор обхода эмиттера рассчитывается с точки зрения сопротивления, «видимого при взгляде» на вывод эмиттера транзистора (сопротивление последовательно с C 2 ). Емкость конденсатора не определяется относительно номинала эмиттерного резистора (R E ).

Конденсаторы связи:

Конденсаторы связи (C 1 и C 3 на рис. 12-1) должны незначительно влиять на частотную характеристику схемы. Рисунок 12-6 (a) иллюстрирует тот факт, что X C1 и Z i составляют делитель напряжения.Если X C1 слишком велико, входное напряжение переменного тока схемы (v i ) будет значительно меньше, чем напряжение сигнала (v s ). Аналогично, X C3 и R L ослабляют переменное напряжение на коллекторе транзистора, так что выходное переменное напряжение (v o ) может быть меньше, чем переменное напряжение коллектора (v o ), [Рис.12-6 (б)]. Чтобы свести к минимуму влияние C 1 и C 3 , реактивное сопротивление каждого конденсатора связи выбирается примерно равным одной десятой полного сопротивления последовательно с ним на самой низкой рабочей частоте для схемы (f 1 ).

Обычно R L ≫ Z o , и часто Z i ≫ r s , так что Z o и r s могут быть опущены в уравнениях 12-4 и 12-5. Еще раз, уравнения дают минимальные значения емкости, так что следующие большие стандартные значения всегда должны выбираться для C 1 и C 3 .

Уравнения 12-4 и 12-5 создают впечатление, что примерно 10% сигнала и выходного напряжения теряются на C 1 и C 3 . Это было бы верно, если бы величины были резистивными. Однако X C1 и X C3 являются емкостными, а Z i и R L обычно резистивными. Таким образом, при расчете фактических потерь выясняется, что они составляют всего около 0,5% для каждого конденсатора.

Другой подход к выбору конденсаторов связи — сделать X C1 = Z i на две октавы ниже f 1 .

Выходной разделительный конденсатор затем определяется путем приведения полного сопротивления C 3 к R L на две октавы ниже f 1 /4.

Когда уравнения 12-6 и 12-7 используются для определения значений конденсаторов связи, можно показать, что эффекты затухания конденсатора составляют менее 5% от A v .

Шунтирующий конденсатор:

Иногда требуется, чтобы усилитель имел определенную верхнюю граничную частоту (f 2 на рис.12-3). Транзистор должен быть выбран так, чтобы его частота среза была намного выше, чем у f 2 . Затем можно установить верхнюю граничную частоту схемы, подключив небольшой конденсатор от клеммы коллектора транзистора к земле (C 4 на рис. 12-7).

Двухступенчатый усилитель CE с конденсаторной связью

Двухступенчатый конденсаторный усилитель CE:

Схема двухкаскадного усилителя CE с конденсаторной связью показана на рис.12-15.

Этап-1 соединен конденсатором (через C 3 ) со входом Этап-2. Сигнал подается на вход Stage-1, а нагрузка подключается к выходу Stage-2. Сигнал усиливается ступенью-1, а выходной сигнал ступени-1 усиливается ступенью-2, так что общий коэффициент усиления по напряжению намного больше, чем коэффициент усиления одного каскада. Как проиллюстрировано осциллограммами на рис. 12-16, напряжение сигнала сдвигается по фазе на 180 ° с помощью ступени-1 и еще на 180 ° с помощью ступени-2.Следовательно, общий фазовый сдвиг от входа к выходу равен нулю (или 360 °).

Схема:

Самый простой подход к проектированию этой схемы — сделать каждую ступень идентичной. Затем, когда Этап-2 был спроектирован, компоненты для Этапа-1 выбираются как: R 1 = R 5 , R 2 = R 6 , R 3 = R 7 , R 4 = R 8 , C 1 = C 3 и C 2 = C 4 .Обратите внимание, что C 3 рассчитывается с точки зрения входного сопротивления для ступени-2, которое должно быть идентично входному сопротивлению для ступени-1, если ступени идентичны в остальном. C 5 рассчитывается обычным образом для выходного конденсатора связи.

Одним из отличий конструкции двухкаскадной схемы от конструкции одноступенчатой ​​схемы является определение конденсаторов обхода эмиттера C 2 и C 4 . Рассмотрим уравнение. 12-2, который был получен для расчета номинала байпасного конденсатора, чтобы коэффициент усиления по напряжению одноступенчатой ​​схемы был на 3 дБ ниже среднего коэффициента усиления на выбранной нижней частоте среза (f 1 ).

Если это уравнение используется для расчета емкости C 2 и C 4 в двухкаскадной схеме, обнаруживается, что коэффициент усиления ступени 1 уменьшается на 3 дБ при f 1 , а коэффициент усиления второй ступени также снижается на 3 дБ при f 1 (см. рис. 12-17).

Это означает, что общий коэффициент усиления схемы снизился на 6 дБ на частоте f 1 . Для уменьшения общего усиления напряжения на 3 дБ при f 1 необходимо рассчитать байпасные конденсаторы, чтобы получить 1.Снижение усиления на 5 дБ на каждом каскаде. Уменьшение усиления каскада на 1,5 дБ при f 1 достигается за счет того, что реактивное сопротивление шунтирующего конденсатора эмиттера равно 0,65, что соответствует импедансу, включенному последовательно с конденсатором. Таким образом, уравнение для импеданса байпасного конденсатора теперь принимает вид

Анализ цепей: Анализ

AC двухкаскадного двухкаскадного усилителя CE с конденсаторной связью аналогичен анализу одноступенчатых цепей, как уже обсуждалось.Эквивалентная схема h-параметра для схемы усилителя на рис. 12-15 показана на рис. 12-19. И снова эта эквивалентная схема получается путем замены напряжения питания и всех конденсаторов короткими замыканиями и замены моделей h-параметров устройства для каждого транзистора. Результирующая эквивалентная схема просто состоит из двух одноступенчатых эквивалентных схем с h-параметром. Как всегда, полярность напряжения и направление тока указываются для мгновенного положительного напряжения сигнала.Полярности напряжения показывают фазовый сдвиг на 180 ° между v i и v c1 и дополнительный фазовый сдвиг на 180 ° между v c1 и v o .

Уравнения характеристик для двухкаскадной схемы легко выводятся из уравнений для одноступенчатой ​​схемы. Входное и выходное сопротивление точно такие же, как у одноступенчатой ​​схемы:

Уравнение усиления по напряжению для второго каскада в точности такое же, как уравнение для одноступенчатого усиления.Нагрузка двухкаскадного усилителя CE с конденсаторной связью на клемме коллектора первой ступени является входным сопротивлением второй ступени. Таким образом, уравнения усиления по напряжению:

Общий коэффициент усиления по напряжению определяется путем умножения коэффициентов усиления двух отдельных каскадов:

Уравнения для усиления по току и по мощности также могут быть получены из одноступенчатых уравнений, но эти величины обычно не важны.

Эксперимент с каскадным усилителем с общим эмиттером и затопленным усилителем

TTI

Том 4 No.2, весна 2001 г.

ISSN # 1523-9926

M.R. Читаз-заде
[email protected]

Отдел инженерных технологий
Общественный колледж округа Аллегейни
West Mifflin, Пенсильвания


РЕФЕРАТ

Усилитель с каскадным общим эмиттером (CE) имеет выходное напряжение, равное намного больше, чем у однокаскадного затопленного усилителя.Преимущества Затопленные усилители включают более высокий входной импеданс, меньший эффект нагрузки и более высокая устойчивость к перепадам температуры. Недостаток CE заболочен Усилитель — это уменьшение коэффициента усиления по напряжению по сравнению с обычными усилителями CE неустойчивые к перепадам температуры. Поэтому для достижения более высоких усиление напряжения для заторможенных усилителей, необходимость в каскадном усилителе CE становится существенный. Предполагается, что учащийся ранее знал теория одноступенчатого усилителя CE для проведения этого лабораторного эксперимента.

НАЗНАЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТ

Цель Этот эксперимент направлен на исследование работы каскадного CE, затопленного транзисторный усилитель для расчета, анализа, измерения, сравнения и, наконец, Обобщите результаты этого эксперимента в лабораторном отчете.

ВВЕДЕНИЕ

Студенты должны сначала нарисовать эквивалентная схема постоянного и переменного тока для этого усилителя для расчета переменного тока сопротивление эмиттера (r’e), входное сопротивление базы, входное сопротивление каскад и усиление напряжения для каждого каскада.Для каскадных каскадов CE вход сопротивление второй ступени составляет нагрузку первой ступени. Следовательно, для каскадных усилителей существует эффект нагрузки на предыдущие сцена. Другими словами, прирост напряжения без нагрузки выше, чем у нагруженного. усиление напряжения. В этом эксперименте студенты построят каскадный CE, затопленный усилитель для стабилизации и повышения общего коэффициента усиления по напряжению. Во-вторых, студенты вычислит прирост напряжения без нагрузки и под нагрузкой, используя метод Тевенина. В-третьих, студенты построят показанную схему, используя макетную плату и измерение усиления напряжения. В-четвертых, студенты будут моделировать эту лабораторию с помощью используя студенческую версию Electronic Workbench , версии 4, 5, MultiSim версии 6.1 или последней версии MultiSim 2001. Тогда студенты будут Предполагается, что будет измеряться усиление напряжения каждой ступени и общее усиление напряжения в чтобы сравнить измеренные значения в реальной лаборатории с измеренными значениями компьютерным моделированием и расчетными значениями.Наконец, студенты сведут в таблицу и обобщить результаты в лабораторном отчете, где они также могут обсудить различия между измеренными и рассчитанными значениями в лабораторный отчет.

ДОПУЩЕНИЯ

Предположим, V BE = 0,7 В, r ‘ e = 25 мВ / л E и б = 120 в ваших вычислениях.

ЦЕПНЫЕ ЗАПИСИ

  1. Использование NPN-транзисторы общего назначения, например 2N3904 или 2N2222.

  2. Рассчитать дБ Коэффициент усиления напряжения, используя Av (дБ) = 20 log (v на выходе / v на ).
    (Компьютерное моделирование может быть выполнено с различными версиями ElectronicWorkbench или другие программные пакеты, проще использовать Electronic Workbench , версия 5 или последняя версия MultiSim 2001 и используйте Плоттер Боде для измерения усиления в дБ.)

    Рисунок 1 — Усилитель с каскадным затуханием с общим эмиттером (EWB, версия 5)

РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ

  1. Для схемы усилителя, показанной выше, студенты будут рисовать эквивалентную схему и рассчитайте следующие величины постоянного тока: В B , V E , I E , V C и V CE (Q) .

  2. Студенты будут рисовать ac эквивалентную схему и рассчитайте входной импеданс (Z в ) для каждого каскад, и коэффициент усиления напряжения без нагрузки каждого каскада.

  3. Студенты определят финал выходное напряжение (в из ) с использованием коэффициента усиления по напряжению без нагрузки и методом Тевенина или с помощью загруженного метод усиления напряжения.

ИЗМЕРЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРНЫХ ЦЕПЕЙ

Для измерения переменного напряжения усиление показанного усилителя, студенты сначала измерят напряжение постоянного тока без приложенное входное напряжение переменного тока. Если они близки к расчетным значениям, то студенты будут подавать входной сигнал переменного тока на вход усилителя, используя двухканальный осциллограф для проверки входных и выходных сигналов.Если вход сигнал усиливается, цифровой мультиметр может использоваться для измерения входного сигнала, сигнал на база каждого транзистора и конечное выходное напряжение. Студенты должны определить, измеренный выходной сигнал (v out ) близок к расчетному значению? Они также должны определить, совпадает ли выходной сигнал по фазе или не по фазе с относительно входного сигнала?

УСТРАНЕНИЕ НЕПОЛАДОК

Использование перемычки и временно закорачивая заглушающий резистор R E1 , студенты будут наблюдать влияние на выход.После размыкания и замыкания конденсатора 100 мкФ через R e1 студенты будут записывать свои наблюдения за выходом сигнал? Замыкание резисторов, R g , R 2 , R c1 , и R L по одному, студенты объяснят свои наблюдения выходной сигнал.

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАНЕЛЬ
(Версия 5 или MultiSim версия 2001)

Студенты:

  1. Нагрузка Электроника Верстак и нарисуйте схему усилителя, показанную выше.

  2. Используйте цифровой мультиметр (DMM) в режиме постоянного тока для измерения постоянного напряжения V B , V E , V C и V CE , чтобы определить, значения близки к расчетным.

  3. Подключите источник синусоидальной волны к вход усилителя и установите источник синусоидальной волны для 10 мВ (среднеквадратичное значение) / 1 кГц / 0 град.

  4. Присоедините осциллограф с двумя трассами на вход и выход.(Если они наблюдают усиленный сигнала, их схема исправна и готова к измерению.)

  5. Измерьте входной сигнал на база каждого каскада и конечный выходной сигнал с переменным током вольтметры и цифровой мультиметр, как показано на схеме, показанной выше.

  6. Используйте плоттер Боде для Измерьте усиление по напряжению в дБ

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОТОБРАЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рисунке ниже показано компьютерное моделирование лаборатории. эксперимент; осциллограф показывает входной и усиленный выходной сигнал.В плоттер Боде показывает измеренное усиление усилителя в дБ.

Рисунок 2 — График Боде усиления в дБ и отображение осциллографа входного и выходного сигнала (EWB версии 5)

КОММЕНТАРИИ

Студенты:

  1. Сравните их практический эксперимент, компьютерное моделирование и расчетные значения

  2. Объясните любые существенные различия между практическими, компьютерное моделирование и расчетные значения.

  3. Опишите функцию и назначение каждого компонента в схема.

  4. Найдите и устраните неисправность каскадного усилителя CE и сообщите об их комментарии в лабораторном отчете.

ССЫЛКИ

[1] Мальвино А. П., Electronic Principles, 5-е издание, Prentice Hall: 1993. [2] Флойд, Т. Л., Электронные устройства, 3-е издание, Прентис Холл. [3] Кокс, Дж., Основы линейной электроники, Delmar [4] Бойлстад, Р. и Нашельски, Электронные устройства, Prentice Hall. [5] Мид, Р. Л., Основы электроники, 2 , издание , Дельмар: 1994 г. [6] Хаффин Б., Эксперимент с усилителем с общим эмиттером, Технология Интерфейс: Spring 1997
http://et.nmsu.edu/~etti/spring97/electronics/ceamp/ceamp.html Усилитель с общим эмиттером

BJT — курс аналоговой электроники

Базовый усилитель с общим эмиттером BJT имеет очень высокий коэффициент усиления, могут сильно отличаться от одного транзистора к другому.Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения. и поэтому реальный выигрыш в некоторой степени непредсказуем. Один из распространенных способов решения этих проблем — использование эмиттерное вырождение. Вырождение эмиттера относится к добавлению небольшого резистора (R4) между эмиттером и общий источник сигнала.

В этой схеме клемма базы транзистора является входом, коллектор — выходом, а эмиттер — выходом. общий для обоих. Это усилитель напряжения с инвертированным выходом.Усилитель BJT с общим эмиттером — один из трех основные конфигурации одноступенчатых усилителей на биполярно-переходных транзисторах (BJT).

R3 6,8 тыс. 1 тыс.

R4 1K510

CE 100u10n

Вибрация 10 мВ 50 мВ

    Примечания:
  • Измерьте результаты моделирования и сравните их с теоретическими, используя приведенные ниже формулы. Вы можете получить значения формы сигнала, щелкнув по графику. Предположим следующее для вашего расчеты
  • Мы используем модель транзистора 2N3904.Если вы правильно сконструируете эту схему в лаборатории, используя 2N3904, вы должны увидеть аналогичные результаты.
  • Используйте Toggle Plot (Переключить график), чтобы увидеть комбинированные или сложенные графики. Сложенные графики отображают максимальные формы сигналов, тогда как комбинированные формы сигналов показывают их относительные значения.
  • Когда вы выбираете конденсатор CE равным 10 нФ, его реактивное сопротивление (@ источник сигнала частота 1 кГц) намного меньше, чем R4, и ею можно пренебречь. Нарисуйте эквивалентную схему переменного тока без CE и получить коэффициент усиления по напряжению.\ begin {уравнение} {v_c \ over v_i} = — {R_3 \ over r_e + R_4} \ end {уравнение}

Анализ постоянного тока

Сначала мы перерисовываем схему, используя модель BJT DC. Конденсаторы считаются разомкнутой цепью постоянного тока и поэтому исключаются.

I B можно игнорировать, если \ begin {уравнение} 10R_2 B можно рассчитать, используя KVL как простую схему делителя напряжения. \ begin {уравнение} V_B = {R_2 \ over {R_1 + R_2}} V_S \ end {уравнение} Ток в узле E \ begin {уравнение} I_E = I_B + I_C \ end {уравнение} если I C намного больше, чем I B , I B можно игнорировать \ begin {уравнение} I_E = I_C \ end {уравнение}

Использование KVL (закон напряжения Кирхгофа) \ begin {уравнение} V_B = I_ER_4 + V_ {BE} \ end {уравнение} \ begin {уравнение} V_S = I_CR_3 + V_ {C} \ end {уравнение}

Если вы проектируете, а не анализируете цепь постоянного тока, вам следует выбирать номиналы резисторов так, чтобы VC составлял половину напряжение питания.Это необходимо для получения максимального размаха выходного напряжения.

\ begin {уравнение} V_ {C} = {V_S \ более 2} \ end {уравнение}

Анализ переменного тока

Затем мы перерисовываем схему, используя малый сигнал BJT. модель. Конденсаторы считаются закороченными в переменном токе (R4 закорочен Ce) и источники постоянного тока подключены к GND (земле). Рассчитать re

\ begin {уравнение} r_e = {v_T \ over I_E} \ end {уравнение}

Так как входное напряжение v и находится между r и и согласно закону Ома

\ begin {уравнение} i_e = {v_i \ over r_e} \ end {уравнение}

Выходное напряжение \ begin {уравнение} v_c = -i_cR_3 \ end {уравнение} инвертированный выход обусловлен текущим направлением.

Из KCL мы знаем, что \ begin {уравнение} i_e = i_b + i_c \ end {уравнение} Игнорируя i b из уравнения, поскольку оно мало по сравнению с i c , мы получаем \ begin {уравнение} v_c = -i_eR_3 \ end {уравнение}

Применяя уравнение 9 к уравнению 12, коэффициент усиления по напряжению усилителя равен \ begin {уравнение} {v_c \ over v_i} = — {R_3 \ over r_e} \ end {уравнение}

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на рост числа посетителей, нам нужна ваша помощь в поддержании и улучшении этого сайта, что требует времени, денег и упорного труда.Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно.

Если вы получили пользу от этого сайта и можете, пожалуйста, отдать 10 долларов через Paypal . Это позволит нам продолжаем в будущее. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

Рисунок 1 — усилитель с общим эмиттером (с входным делителем). Вычислите сопротивление базы Rb1, которое составляет …

  • Ниже показан одноступенчатый усилитель с общим эмиттером и униполярным источником питания постоянного тока, использующим 2…

    Ниже показан одноступенчатый усилитель с общим эмиттером с униполярным источником питания постоянного тока, использующий 2N3904 NPN BJT в качестве активного устройства. Уточняется, что V + 40 В, C1 C2CE 100uF, Ro-7.5 k2, REi-5.1kS2, а Ri — 36k52. Спроектируйте схему так, чтобы постоянный ток коллектора составлял 2 мА, а величина усиления по напряжению в средней полосе слабого сигнала составляла 32,3. Для расчетов конструкции предположим, что падение постоянного напряжения база-эмиттер составляет 0,65 В, …

  • НАЙДИТЕ ЗНАЧЕНИЯ Rb1, Rb2, Re, Rc, rin, rout, общий коэффициент усиления и коэффициент усиления разомкнутой цепи Сначала спроектируйте общий эмиттер BJT a…

    НАЙДИТЕ ЗНАЧЕНИЯ Rb1, Rb2, Re, Rc, rin, route, общего усиления и коэффициент усиления разомкнутой цепи Во-первых, спроектируйте усилитель BJT с общим эмиттером. Во-вторых, проанализируйте усилитель (Avo, Gv, Rin, Rout). В-третьих, сравните свои расчеты с Multisim. Отчет должен включать сравнение между вашими расчетами и результатами моделирования: общее усиление напряжения, усиление напряжения холостого хода, входное сопротивление и выходное сопротивление. Этот дизайн-проект не является групповой работой, он должен выполняться индивидуально. Введите свой отчет.Разработайте дискретный усилитель BJT с общим эмиттером. (Определите …

  • 1. Разработайте усилитель с общим эмиттером, показанный на рис. 4 (а), со следующими характеристиками: Объем питания …

    Рисунок 4. (а) 1. Разработайте усилитель с общим эмиттером, показанный на рис. 4 (a), со следующими характеристиками: напряжение питания, размах выходного напряжения Vcc от 0 до пика, коэффициент усиления напряжения V, A. Входное сопротивление, R выходное сопротивление, Ro THD для 5 кГц 1. V (от 0 до пика) Выходное напряжение синусоидальной волны, В Относительное изменение Ic для VBE 0.Коэффициент усиления по току транзистора 7t 0,1 В, β 5 В 25 1,8kS2 4% 10% 100 Покажите процедуру проектирования и все свои расчеты. Ваш дизайн должен быть нечувствительным к вариациям B. Vcc RB1 Rc 0 …

  • 1. Для каскадного усилителя, показанного на рисунке, рассчитайте напряжения поляризации и токосъем …

    Для каскадного усилителя на рисунке рассчитайте поляризационные напряжения Пожалуйста, ответьте на ясность, спасибо !! 1. Для каскадного усилителя, показанного на рисунке, рассчитайте напряжения поляризации и токосъемники каждого каскада.Также рассчитайте коэффициент усиления по напряжению для каждого каскада и общий коэффициент усиления по напряжению для каскадного усилителя. 2. Повторите предыдущие шаги, используя сопротивление нагрузки 2,2 кОм. 3. Рассчитайте входное и выходное сопротивление для каскадного усилителя и частоты среза (fi) для каскада …

  • Могу я получить помощь по части g по части r, пожалуйста? Учитывая следующий усилитель с общим эмиттером …

    Могу я получить помощь по части g по части r, пожалуйста? Учитывая следующий усилитель с общим эмиттером и смещением делителя напряжения: Транзистор представляет собой кремниевое устройство с B160 (Beta 160) и транзистором r.= 30 кН: 20 В 34,7 кОм LAL = Vou 35,10 31,1 к LRE $ 3900 03 — Найдите следующие величины в частях от а до где означает постоянный ток покоя): a) Тевенинское напряжение и Тевенинское сопротивление Re b) Базовый ток la Ток коллектора le d) Ток эмиттера le e) Покой коллектор-эмиттер транзистора …

  • Решите следующие проблемы, используя: 1) точный метод 2) приблизительный метод сравните если приблизительный метод …

    Решите следующие проблемы, используя: 1) точный метод 2) приблизительный метод сравните, достаточно ли для анализа приблизительного метода.который решение лучше? Пример Для цепи смещения делителя напряжения RB1-13K2, R 2.2k2, Rc-68K (2. RE-1.5K (2.Vcc-15 В. VCEsat -0,3 В и β кремниевого транзистора равно 80). Определите следующее O «(a) Базовое напряжение постоянного тока и напряжение эмиттера постоянного тока транзисторного усилителя (b) Рабочие напряжения и токи постоянного тока транзисторного усилителя (lBo, Ico, IEo и VcEO) (c) …

  • 1.0 кун. RE-390 Ом, r-15 Ом. и ßac-75. 5. Для усилителя с общим эмиттером, Rc. Предполагая, что Rg полностью шунтируется на рабочей частоте, коэффициент усиления по напряжению равен (a) 66.7 (г) 75 (б) 2,56 (в) 2 ….

    1.0 кун. RE-390 Ом, r-15 Ом. и ßac-75. 5. Для усилителя с общим эмиттером, Rc Предполагая, что Rg полностью шунтируется на рабочей частоте, коэффициент усиления по напряжению равен (a) 66,7 (d) 75 (b) 2,56 (c) 2,47 6. В схеме вопроса 5, если частота снижается до точки, в которой Xctbypass) RE, коэффициент усиления по напряжению (a) остается прежним (b) меньше (c) больше 7. В усилителе с общим эмиттером и смещением делителя напряжения Rimlbase) 68 k2 , Ri 33 …

  • Выполните простую начальную конструкцию усилителя с общим эмиттером, связанным по переменному току, с четырьмя резисторами смещения и шунтированием эмиттера…

    Выполните простую начальную конструкцию связанного по переменному току генератора с общим эмиттером. усилитель с четыре резистора смещения и обводной конденсатор эмиттера, чтобы иметь усиление напряжения около 100 при следующих условиях. Обоснуйте любые использованные приближения. (Предположим, что Ic = 1/300 A) i) Коэффициент усиления транзистора по переменному току с общим эмиттером, B, 100 ii) Напряжение питания V0c-20V iii) Допускается 10% Vcc на RE Напряжение коллектора постоянного тока 10 В iv) v) Постоянный ток в резисторах смещения базы должен быть в десять раз больше, чем базовый постоянный ток.Предполагать…

  • D7.35 Схема смещения, показанная на рис. 7.53, должна использоваться для усилителя с общей базой. Дизайн…

    D7.35 Схема смещения, показанная на рис. 7.53, должна использоваться для усилителя с общей базой. Разработайте схему, чтобы установить ток деэмиттера I мА и обеспечить максимально возможное усиление напряжения с учетом размаха сигнала на коллекторе ± 2 В. Используйте источники питания +10 В и -5 В. Cc Rc UC RB RE

  • Vsig = 10 мВ * sin (2Kπ) Схема выше представляет собой усилитель с общим эмиттером.Учитывая параметры в цепи, …

    Vsig = 10 мВ * sin (2Kπ) Схема выше представляет собой усилитель с общим эмиттером. Учитывая параметры в схеме, 1. Если Rb1 = 10 кОм, рассчитайте Rb2, Ib, Ic, Ie, Re, крутизну. (gm), ток через Rb1 (I_rb1) и ток через Rb2 (I_rb2), Vb, Vc, Ve, Vce. Кроме того, рассчитайте Rc, чтобы получить коэффициент усиления по напряжению Av = — 100 В / (Если значение Rb1 не совпадает, выберите резистор. значение для Rb1.) 2. Если амплитуда Vsig продолжает увеличиваться, с какой амплитудой входа…

  • (PDF) Проектирование и анализ многокаскадного усилителя с общим эмиттером для низкочастотных приложений

    EJERS, European Journal of Engineering Research and Science

    Vol. 4, No. 10, October 2019

    DOI: http://dx.doi.org/10.24018/ejers.2019.4.10.1431 90

    Подстановка значений AV = 95 и Ai = 180 в уравнение

    (14) дает

      

    D.Анализ переменного тока для второго каскада усилителя CE

    Рис. 5: Эквивалентная схема переменного тока, показывающая выход первого каскада и второго каскада

    усилителя CE

    На рис.

    второй каскад схемы усилителя CE при исследовании

    с использованием анализа переменного тока. Чтобы выполнить анализ для второго этапа

    , необходимо вычислить различные текущие значения

    .Чтобы включить эффективное значение тока источника

    , которое обозначается IS и выражается как Уравнение (15)

     (15)

    , где VS и IS — напряжение и ток источника.

    соответственно. Следовательно,

     

    Уравнение (16) дает выражение для эффективного тока коллектора

    (Ice)

     

     

     (16)

    Подставляем значения hoe = 25 мкА, RL = 2 кОм и IC = 2.85

    мА в уравнении (16) дает Ice = 2,71 мА.

    Входной ток сигнала для второй ступени обозначается

    (IS2), значение определяется с применением правила делителя тока,

    с использованием выходного сопротивления (R0), входного сопротивления (Ri) и

    тока коллектора ( Ic)

     

      (17)

    Подстановка значений R0 = 2 кОм, RIS = 535 Ом и IC = 2,85 мА

    в (17) дает Is2 = 2.22 мА.

    Чтобы получить усиление тока, как оно появляется на выходной цепи

    второго каскада, необходим базовый ток

    второго транзистора, используя правило делителя тока;

     

      (18)

    Подставляя значения для RB = 3,81 кОм, hie = 1,1 кОм и

    IS2 = 2,22 мА в уравнение ( 18) дает IB2 = 1,72 мА.

    Где, IB2 = Базовый ток для второй ступени.

    Источник тока  на выходе второй ступени

    :

       (19)

    Следовательно, решая для  дает значение 0,172 А.

    Текущее усиление второго каскада усилителя в

    рис. 5 может быть рассчитано с использованием уравнения (20),

    

     (20)

    Где IS1, IS2 — соответствующие токи источника для первого и второго каскадов усилителя

    .

    Следовательно,

     

    Кроме того, общий коэффициент усиления по току оценивается в уравнении (21)

        (21)

    где  — общий коэффициент усиления по току

      

    Общий коэффициент усиления на выходе двухкаскадного общего эмиттера Усилитель

    определяется уравнением (22).

    

     (22)

    Где  — общий прирост выпуска.

    Подстановка = 2,85 мА,  = 2 кОм и  = 10 мВ

    дает:

         

       

    Кроме того, коэффициент усиления мощности является произведением силы тока и напряжения

    коэффициентов усиления, определяемых уравнением (23)

       (23)

    Подстановка значений AI = 11305 и AV = 510 дает:

    AP = 11305  510 = 5765550

    IV. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

    После использования аналитического метода для расчета

    параметров усилителя, спроектированные схемы

    были смоделированы с помощью LT SPICE.LT SPICE представляет

    спроектированные одноступенчатые и многокаскадные усилители CE:

    , показанные на рисунках 6 и 7 соответственно.

    Рис. 6. SPICE-представление спроектированного одноступенчатого усилителя CE

    Emitter Amplifier — обзор

    Это усиление немного меньше, чем у усилителя CE. Его преимуществом является его входное сопротивление.

    Пример 2.5

    Усилитель Дарлингтона

    На рисунке E2.5 показан усилитель Дарлингтона с шунтирующим эмиттерным резистором на Q 2 , подключенным к общему резистору начальной загрузки 10 кОм в узле 50.Анализ постоянного тока развивается аналогично анализу переменного тока. Следовательно, решение для постоянного тока будет взято из модели SPICE, и будет разработано только решение для переменного тока. Сопротивление эмиттера BJT составляет

    re1 = 156 Ом, re2 = 31,9 Ом

    РИС. E2.5.

    Поскольку вход Q 2 является самонастраивающимся, входное сопротивление Q 2 (от базы Q 2 , включая резистор 10 кОм между узлами 20 и 50) может быть найдено с использованием (2.52). Подстановка значений дает

    rin2 = 10 кОм || (100) (3,19 Ом + 1,0 кОм)

    + (100) (10 кОм) [10 кОм 10 кОм + (100) (31,9 Ом + 1,0 кОм)]

    + 10 кОм [(100 ) (31,9 Ом + 1,0 кОм) 10 кОм + (100) (31,9 Ом + 1,0 кОм]

    = 9116,53 Ом + 88347 Ом + 9116,43 Ом = 106580 Ом

    Теперь (2,65) используется для определения усиления из-за Q 1 :

    Av1 = −α1 · RLre1 + rin2 = −0,0473

    Прирост Q 2 находится следующим образом:

    Av2 = vb2vi · ie2vb2 · (−R1) = (rin2re1 + rin2 ) ie2vb2 · (−RL) ↑ (2.53)

    Опять же, мы используем другое уравнение начальной загрузки (2.53), чтобы найти крутизну каскада Q 2 . Подставляя значения в это уравнение, мы получаем

    Av2 = — (0,09985) (0,4185) = — 0,4179

    Таким образом, общий выигрыш составляет

    Av = Av1 + Av2 = -0,4652

    Результат SPICE соответствует. Наконец, входное сопротивление составляет

    rin = (β + 1) (re1 + rin2) = (100) (156Ω + 106580Ω) = 10,67MΩ

    При коэффициенте усиления меньше единицы этот усилитель не очень полезен.Прирост можно легко увеличить (см. Пример 2.3). Однако входное сопротивление очень полезно для усилителя на входе напряжения.

    Пример 2.3

    Каскодный усилитель

    Типичный каскодный усилитель показан на рисунке E2.3. Воспользуемся консервативным β, равным 99. Расчет постоянного тока Q 1 эмиттерного тока дает 600 мкА. Ток эмиттера Q 2 равен току коллектора Q 1 , или 594 мкА. Тогда динамические сопротивления эмиттера

    re1 = 43.3 Ом, re2 = 43,8 Ом

    Применяя (2,63), мы получаем коэффициент усиления по напряжению А v = -0,26. Этот выигрыш хорошо согласуется с результатами SPICE. Выходное сопротивление (при условии бесконечности r o2 ) составляет R L . = 1,0 кОм. Входное сопротивление

    rin = RB + (β1 + 1) (re1 + RE) = 374,3 кОм

    Выход SPICE согласен. Этот конкретный пример каскодного усилителя не имеет полезного коэффициента усиления (& gt; 1), но может функционировать как устройство сдвига постоянного напряжения.Если мы уменьшим R E , коэффициент усиления (величина) увеличится, но ток эмиттера постоянного тока также возрастет, а входное сопротивление уменьшится. Сложность здесь отчасти связана со стоимостью доступных источников питания. Для меньшего R E , — V EE также необходимо сделать меньше для того же тока смещения. Но уменьшение В EE делает ток смещения более чувствительным к В BE1 . Чтобы достичь как стабильной рабочей точки, так и более высокого усиления, используйте большой В EE для стабильного тока смещения и создайте эквивалентный источник Тевенина, поместив другой резистор между эмиттером и землей.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *