Усилительный каскад с общим эмиттером — Студопедия

Поделись  

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном с общим эмиттером, приведена на рис.6.1.

Основными элементами являются источник питания Eк, транзистор VT и резистор Rк, являющийся коллекторной нагрузкой транзистора. Транзистор, управляемый током базы, и резистор Rк обеспечивают формирование переменного выходного напряжения каскада при подаче на него переменного сигнала.

Разделительный конденсатор Cp1 предотвращает протекание постоянного тока, созданного источником Eк, через источник входного сигнала и позволяет обеспечить независимость режима покоя транзистора VT от внутреннего сопротивления источника входного сигнала.

Разделительный конденсатор Cp2 не пропускает в цепь нагрузки постоянную составляющую напряжения, падающего на выходе с транзистора. В результате выходное напряжение Uвых каскада является знакопеременным.

Резисторы R1 и R2 задают режим покоя транзистора, а резистор Rэ осуществляет его температурную стабилизацию.

Конденсатор Cэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, предотвращая снижение коэффициентов усиления каскада.

Принцип работы усилительного каскада заключается в следующем. При Uвх=0 транзистор находится в состоянии покоя: в цепи его базы течет постоянный ток Iбп, в цепи коллектора – постоянный ток Iкп, напряжение на выходе транзистора Uкэп также постоянно, ток нагрузки и выходное напряжение каскада равны нулю. Переменное входное напряжение (Uвх ≠ 0), прикладываемое к транзистору, вызывает появление переменной составляющей тока базы i_Б~, что приводит к появлению переменной составляющей тока коллектора i_к~. За счет последней на резисторе Rк создается переменное падения напряжения U

R_к~ = Rк*i_к~, которое через конденсатор Cp2 передается на выход каскада. В цепи нагрузки появляется переменный ток.

Усилительные свойства каскада зависят от амплитуды и частоты входного сигнала. Влияние амплитуды входного сигнала на амплитуду выходного отражает амплитудная характеристика усилителя. Она снимается при постоянной частоте, соответствующей диапазону средних частот, и синусоидальной форме входного сигнала. Примерный вид амплитудной характеристики показан на рис.6.2.

На амплитуде выделен рабочий участок б-в, в пределах которого выходной сигнал также имеет синусоидальную форму, а его амплитуда пропорциональна амплитуде входного сигнала. На участке а-б выходной сигнал плохо различим на фоне собственных шумов усилителя. На участке в-г выходной сигнал усилителя несинусоидален, т.к. режим работы транзистора становится нелинейным при этом полуволна выходного сигнала ограничиваются по уровню. Такое искажение формы выходного сигнала усилителем называют нелинейным. Причинами нелинейных искажений являются отсечка и насыщение транзистора.

Влияние частоты входного сигнала на амплитуду выходного сигнала отражает амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя. Под АЧХ понимается зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты синусоидального входного сигнала неизменной амплитуды.

Примерный вид АЧХ показан на рис.6.3. На амплитуде можно выделить полосу средних частот (участок а-б), в котором коэффициент усиления примерно постоянен и равен К_Uo, полосу низких частот (участок 0-а) и полосу высоких частот (участок б-в).

Снижение коэффициента усиления в полосе низких частот обусловлено влиянием конденсаторов Cp1, Cp2 и Cэ, а снижение коэффициента усиления в полосе высоких часто обусловлено частотными свойствами транзистора (снижением его коэффициента передачи тока с ростом частоты) и шунтирующим влиянием емкости коллекторного перехода транзистора по отношению к выходной цепи.

Если входной сигнал содержит гармонические составляющие, частоты которых лежат в различных полосах АЧХ усилителя, то они усиливаются по-разному, из-за чего форма выходного сигнала отличается от формы входного. Такие искажения формы выходного сигнала усилителя называют частотными. Количественной характеристикой частотных искажений является коэффициент частотных искажений М, определяемый по формуле

, (6. 1)

где K_U(f) и M(f) – коэффициенты усиления и частотных искажений на произвольной частоте f.

Частотные свойства усилителя характеризует также его полоса пропускания ∆f, лежащая между нижней f_Н и верхней f_В граничными частотами (рис.6.3). В качестве последних принимают частоты, на которых коэффициент частотных искажений равен . Значения граничных частот и ширина полосы пропускания зависят от емкостей конденсаторов усилителя и параметров его транзистора.



Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи / Арсенал-Инфо.рф

Принцип действия

В настоящее время в микрофонных усилителях в качестве усилительных каскадов низкочастотного сигнала широко используются обычные транзисторные усилители, в которых биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Именно такие усилительные каскады, по сравнению со схемами с общей базой и с общим коллектором, обеспечивают наибольшее усиление по мощности.

Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 2.1а.

Рис. 2.1. Принципиальные схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (а) и усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком (б)

В данной схеме коэффициент усиления по току представляет собой отношение амплитуд (действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих тока коллектора и тока базы транзистора.

Главным параметром, характеризующим транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, является статический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) для схемы с ОЭ, который обозначается как b. Этот параметр для того или иного типа биполярного транзистора при необходимости можно найти в любом справочнике.

В транзисторном усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим эмиттером, между входным и выходным напряжениями имеется фазовый сдвиг, составляющий 180°.

Наличие указанного фазового сдвига объясняется особенностями функционирования такого каскада. При поступлении на базу транзистора VТ1 положительной полуволны входного сигнала происходит увеличение напряжения на переходе база-эмиттер. В результате возрастает ток эмиттера, и, соответственно, ток коллектора транзистора. Увеличение тока коллектора приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R1, который является коллекторной нагрузкой. Иными словами, на нагрузочном резисторе дополнительно к уже имеющемуся постоянному напряжению добавляется переменное напряжение с той же полярностью. При этом напряжение на коллекторе транзистора VТ1, соответственно, уменьшается. Таким образом, при подаче положительной полуволны переменного напряжения на вход транзисторного каскада по схеме с общим эмиттером на его выходе формируется отрицательная полуволна выходного напряжения.

Достоинством схемы с общим эмиттером, помимо наибольшего усиления по мощности, является удобство питания от одного источника, так как на базу и коллектор транзистора подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам данной схемы включения следует отнести сравнительно малое входное сопротивление транзистора, определяемое особенностями конструкции биполярных транзисторов. Помимо этого, схема с общим эмиттером имеет худшие, по сравнению, например, со схемой с общей базой, частотные и температурные характеристики. С повышением частоты усиление в схеме с общим эмиттером снижается в значительно большей степени, чем, в схеме с общей базой.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах, включенных по схемам с общей базой и с общим коллектором, практически не применяются в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков. Поэтому подробное рассмотрение особенностей функционирования таких каскадов выходит за рамки данной книги. Необходимую информацию заинтересованные читатели могут найти в специализированной литературе.

Тем не менее, схемы включения биполярного транзистора с общей базой и с общим коллектором широко используются в схемотехнических решениях активного элемента высокочастотных генераторов маломощных радиопередающих устройств, о которых будет рассказано в одной из следующих глав.

Поэтому автор считает необходимым хотя бы весьма коротко отметить основные преимущества и недостатки таких схем включения.

Усилительный каскад, выполненный по схеме с общей базой, по сравнению со схемой с общим эмиттером, обеспечивает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление. Однако его температурные и частотные свойства значительно лучше. Помимо этого в схеме с общей базой отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами. Достоинством усилительного каскада по схеме с общей базой также является внесение значительно меньших искажений при усилении сигнала.

В усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим коллектором, нагрузка включена в цепь эмиттера транзистора, а выходное напряжение снимается с эмиттера по отношению к шине корпуса. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление каскада по схеме с общим коллектором в десятки раз выше, чем у каскада с общим эмиттером, а выходное сопротивление, наоборот, сравнительно мало. Помимо этого коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя почти такой же, как и у каскада по схеме с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее. В схеме с общим коллектором отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Нередко в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков применяются усилительные каскады на полевых транзисторах. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, имеют большое входное сопротивление, чем значительно облегчается решение задачи согласования каскадов. Обычно предпочтение отдается схемотехническим решениям, в которых полевой транзистор включен по схеме с общим истоком. Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на полевом транзисторе с каналом n-типа, включенном по схеме с общим истоком, приведена на рис. 2.1б.

Принцип работы усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, заключается в следующем. С увеличением потенциала затвора ток в цепи стока и, соответственно, падение напряжения на резисторе R1 в цепи нагрузки возрастают. При этом напряжение между стоком и истоком уменьшается. В результате переменное напряжение между стоком и истоком оказывается сдвинутым по фазе на 180° относительно переменного напряжения между затвором и истоком.

Для оценки работы усилительного каскада на полевом транзисторе обычно используют такие характеристики, как коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление каскада. Необходимо отметить, что значения входной, проходной и выходной емкостей полевого транзистора весьма малы и обычно не превышают нескольких пикофарад. Поэтому их влиянием на работу низкочастотного усилительного каскада можно пренебречь.

Принцип действия усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, рассмотрим на примере простейшего микрофонного усилителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема простейшего микрофонного усилителя на n-p-n-транзисторе

В рассматриваемой схеме сигнал, сформированный на выходе микрофона BM1, через разделительный конденсатор С1 поступает на базу транзистора VТ1, включенного по классической схеме с общим эмиттером. Конденсатор С1 обеспечивает развязку входной цепи усилителя и выходной цепи источника сигнала (микрофон BM1) по постоянному току. При отсутствии этого конденсатора сопротивление резистора R3 совместно с малым сопротивлением перехода база-эмиттер транзистора VТ1 шунтирует выход источника сигнала. Помимо этого выходное сопротивление микрофона оказало бы неприемлемое влияние на положение рабочей точки транзистора VТ1, изменив режим его работы. Аналогичные функции выполняет разделительный конденсатор С2, обеспечивая развязку по постоянному току выходной цепи микрофонного усилителя и входных цепей подключаемых к его выходу каскадов. Через резистор R1 на соответствующий вывод электретного микрофона BM1 подается напряжение, необходимое для штатного функционирования микрофона.

При отсутствии входного сигнала на базе транзистора VТ1, включенного по схеме с общим эмиттером, присутствует напряжение смещения, формируемое делителем R2, R3 из напряжения питания. Наличие напряжения смещения обеспечивает протекание тока между коллектором и эмиттером транзистора. Величина этого тока, который обычно называют коллекторным током, зависит от соотношения величин сопротивлений резисторов R2 и R3. Изменение этого соотношения приводит к смещению рабочей точки на характеристике транзистора VТ1 и, соответственно, к изменению его режима работы.

При поступлении сигнала на базу транзистора VТ1 происходит изменение тока базы, что вызывает соответствующее изменение величины коллекторного тока. В результате по аналогичному закону происходит изменение разности потенциалов на резисторе R4, выполняющем функцию нагрузочного резистора в цепи коллектора транзистора VТ1. Как уже отмечалось, при возрастании напряжения на базе транзистора VТ1 происходит падение напряжения на его коллекторе, и, наоборот, при падении напряжения на базе, напряжение на коллекторе увеличивается. Таким образом, выходное напряжение однокаскадного транзисторного усилителя будет находиться в противофазе входному напряжению.

Похожие книги из библиотеки

Война.

Полная энциклопедия.

Энциклопедия Ричарда Эрнеста и Тревора Невитта Дюпюи – всеобъемлющее справочное издание, отображающее эволюцию военного искусства от Античности до наших дней. В одном томе собран и систематизирован богатейший материал: колоссальный объем архивных документов, редкие карты, сводки статистических данных, выдержки из научных трудов и детальные описания величайших сражений.

Для удобства пользования энциклопедией история человечества условно разделена на двадцать две главы, каждая из которых посвящена временному периоду с 4-го тысячелетия до нашей эры до конца XX века. Очерки, предваряющие главы, содержат сведения о принципах тактики и стратегии того или иного периода, особенностях вооружения, развитии военно-теоретической мысли и выдающихся военачальниках эпохи. Энциклопедия содержит два указателя: упомянутых в тексте имен, а также войн и значимых вооруженных конфликтов. Все это поможет читателю воссоздать и воспринять историческое полотно в целом, разобраться в причинах той или иной войны, проследить ее течение и оценить действия полководцев.

Авиация Красной армии

В краткой энциклопедии летательных аппаратов, разрабатывавшихся в СССР накануне и во время Второй мировой войны и состоявших на вооружении Красной армии, представлены проекты самолетов (в том числе двухбалочных и двухфюзеляжных «бесхвосток» и «летающих крыльев»), самолетов-снарядов, составных самолетов, вертолетов, автожиров, планеров, конвертопланов, кольцепланов, аппаратов на воздушной подушке, крылатых ракет и т. д. Рассмотрены аппараты, строившиеся серийно или опытными партиями, принимавшие участие в боевых действиях или вспомогательных операциях. Рассказано также об опытных машинах, запланированное производство которых было прервано окончанием войны, машинах, которые по тем или иным причинам не производились серийно, полученным по ленд-лизу трофейным самолетам и самолетам лицензионной постройки, принятым на вооружение.

В книге приведены основные характеристики летательных аппаратов и сведения о боевых операциях, в которых они применялись. Книга снабжена большим количеством иллюстративного материала и предназначена для широкого круга читателей.

Роль морских сил в мировой истории

Известный историк и морской офицер Альфред Мэхэн подвергает глубокому анализу значительные события эпохи мореплавания, произошедшие с 1660 по 1783 год. В качестве теоретической базы он избрал наиболее успешные морские стратегии прошлого – от Древней Греции и Рима до Франции эпохи Наполеона. Мэхэн обращает пристальное внимание на тактически значимые качества каждого типа судна (галер, брандер, миноносцев), пункты сосредоточения кораблей, их боевой порядок. Перечислены также недостатки в обороне и искусстве управления флотом. В книге цитируются редчайшие документы и карты. Этот классический труд оказал сильнейшее влияние на умы государственных деятелей многих мировых держав.

Израильские танки в бою

Крошечный Израиль по праву считается третьей (после Рейха и СССР) великой танковой державой, что неудивительно: израильтяне – самые воевавшие танкисты второй половины XX века, грандиозные танковые сражения Шестидневной войны и войны Судного Дня по размаху, напряженности и динамизму не уступают битвам Второй Мировой, а легендарную «Меркаву» не зря величают одним из лучших современных танков (если не самым лучшим), который доказал свою высочайшую эффективность как на войне, так и в ходе антитеррористических операций.

Новая книга ведущего историка бронетехники воздает должное еврейским «колесницам» (именно так переводится с иврита слово «меркава»), восстанавливая подлинную историю боевого применения ВСЕХ типов израильских танков во ВСЕХ арабо-израильских войнах и опровергая множество мифов и небылиц, порожденных режимом секретности, с которой на Святой Земле все в порядке – СССР отдыхает! Эта книга – настоящая энциклопедия израильской танковой мощи, иллюстрированная сотнями эксклюзивных чертежей и фотографий.

транзисторов — Как работает усилитель с общим эмиттером (интуитивно)

спросил 2 года 11 месяцев назад

Изменено 2 года, 11 месяцев назад

Просмотрено 2к раз

\$\начало группы\$

Я знаю, что в Интернете много видео, документов и могу сказать, что большинство из них я уже просмотрела. Однако я не могу понять принцип работы, усиление работы этих усилителей. Я знаю основы транзисторов и их характеристики. Однако я застрял с усиливающим действием.

Думаю, кто-нибудь может придумать хороший и понятный поясняющий ответ.

Заранее спасибо.

• транзисторы
• усилитель
• бджт

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Вот очень упрощенное интуитивное объяснение этой самой распространенной транзисторной схемы: управляется входным напряжением. Входом этого устройства (куда подается напряжение) является переход база-эмиттер, а его выходом (где появляется сопротивление) — переход коллектор-эмиттер. Таким образом, мы можем рассматривать «сложный» 3-выводной транзистор как состоящий из двух более простых 2-выводных элементов. Теперь осталось решить, куда подавать входное напряжение и откуда брать выходное.

Если мы не знаем о принципе общей земли в схемотехнике, то мы счастливые люди… и просто подаем входное напряжение на переход база-эмиттер («+» на базу, «-» на эмиттер). Для снятия выходного напряжения делаем «делитель напряжения», подключив последовательно к транзисторному выходу дополнительный (коллекторный) резистор. Запитываем эту сеть и принимаем падение напряжения на одной из них за выходное напряжение.

Однако вскоре мы узнаем, что (по ряду причин) в схемотехнике устройства подключаются одним из своих выводов к общей опорной точке, называемой «землей»… и начинаем искать решение проблемы.

Мы достаточно изобретательны , чтобы представить входное (дифференциальное) напряжение как разницу между двумя входными несимметричными (заземленными) напряжениями , приложенными к базе и эмиттеру… и тем самым решить проблему с общим заземлением. Теперь мы можем изменить базовое напряжение как входное, сохраняя постоянное напряжение эмиттера… или изменить напряжение эмиттера как входное, сохраняя постоянное базовое напряжение. .. мы даже можем изменить оба… но это уже другая история. ● По отношению к изменению напряжения постоянное напряжение ведет себя как заземление (переменного тока); отсюда и название «общий эмиттер» и «общая база».

В каскаде с общим эмиттером мы поддерживаем постоянное напряжение эмиттера, особенно нулевое (заземленный эмиттер), и изменяем базовое напряжение в качестве входного сигнала.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Вы можете думать об этом как о реостате, управляемом током. Есть диод между базой и эмиттером и амперметр последовательно с диод измеряющий I _B . Между ними находится реостат. коллектор и эмиттер, с другим амперметром последовательно для измерение I _C . И тут волшебство: маленький демон, который непрерывно считывает оба тока и регулирует реостат в чтобы сохранить соотношение токов постоянным. Вот как это выглядит например, когда вы открываете его и заглядываете внутрь:

(Источники: Иллюстрация Пола Горовица и Уинфилда Хилла, из The Art электроники. Футболка Adafruit.)

В зависимости от компонентов, которые вы поместите вокруг транзистора, демон может обнаружил, что не может получить достаточно высокий I _C , даже с реостат установлен на минимум. Мы называем этот режим «насыщением». режим, где демону удается контролировать I _C линейный режим, используемый в усилении.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Я постараюсь свести его к абсолютному минимуму.

Сигнал на базе копируется на эмиттере меньше примерно на \$700\:\text{мВ}\$. Таким образом, эмиттер просто «следует» за базой. Это напряжение подается на эмиттерный резистор, вызывая изменение тока эмиттера, которое напрямую зависит от изменения базового напряжения. Итак, \$I_\text{E}\приблизительно \frac{V_\text{B}-700\:\text{mV}}{R_\text{E}}\$. Так как \$I_\text{C}\ приблизительно I_\text{E}\$, то \$V_\text{C}=V_\text{CC}-I_\text{C}\cdot R_\text {С}\$ или:

$$\begin{align*}V_\text{C}&=V_\text{CC}-\frac{V_\text{B}-700\:\text{мВ}}{R_\text{E }}\cdot R_\text{C}\\\\ &=V_\text{CC}+700\:\text{мВ}\cdot\frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}-V_\text{B}\cdot\frac{R_ \text{C}}{R_\text{E}}\end{align*}$$

Беря производную, находим:

$$\begin{align*}\text{D} \:V_\ text{C}&=\text{D} \:\left[V_\text{CC}+700\:\text{мВ}\cdot\frac{R_\text{C}}{R_\text{E} }-V_\text{B}\cdot\frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}\right]\\\\ &=-\frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}\cdot \text{D}\:V_\text{B}\\\\\поэтому\\\\ \frac{\text{d}\,V_\text{C}}{\text{d}\,V_\text{B}}&=-\frac{R_\text{C}}{R_\text{ E}}\end{выравнивание*}$$

Итак, \$A_v\приблизительно -\frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}\$.

---

Что касается вашего комментария здесь ниже, вышеизложенное не относится к заземленному эмиттеру, где появляется еще один член, сильно зависящий от температуры и сигнала: \$r_e\$.

Цитата из книги Пола Горовица и Уинфилда Хилла «Искусство электроники», 3-е издание, стр. 94, правая колонка:

«Дополнительное усиление напряжения, которое вы получаете при использовании \$R_\text{E}=0\$, достигается за счет других свойств усилителя. На самом деле заземленный эмиттерный усилитель, несмотря на его популярность в учебниках, должен быть следует избегать, за исключением схем с полной отрицательной обратной связью».0005

К.Э.Д.

\$\конечная группа\$

17

\$\начало группы\$

Еще более простое, не математическое объяснение (которое, однако, включает в себя «магию»):

^{смоделируйте эту схему – Схема, созданная с помощью CircuitLab}

Вольт подается на основание. Катод базового «диода» всегда примерно на 0,7 В ниже базы. Однако базовый ток всегда будет намного ниже, чем ток в нагрузочном резисторе, потому что RM — это «магический» резистор, который сам настраивается для создания усиления по току в цепи, что очень приблизительно соответствует КПД транзистора.

По сути, это усилитель с большим усилением по току, единичным усилением по напряжению (т. е. без усиления по напряжению), который также сдвигает входной сигнал примерно на 0,7 В.

О, и он может только генерировать ток, а не потреблять его, конечно.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Попробую ответить (почти) без формул:

«Секрет» свойства усиления напряжения заключается в том, что биполярный транзистор (BJT) работает — аналогично полевому транзистору — как источник тока, управляемый напряжением Ic= ф(ВБЭ). Этот ток Ic управляется источником постоянного тока, но управляется напряжением VBE. Любое изменение VBE (входной сигнал, размах входного напряжения) изменит ток Ic (размах выходного тока).

Теперь мы используем резистор Rc для преобразования этих колебаний выходного тока в колебания выходного напряжения (выходной сигнал). Этот выходной сигнал может быть больше, чем входной сигнал, потому что мы можем выбрать довольно большое значение для Rc (при условии, что у нас есть напряжение питания в несколько вольт, чтобы обеспечить соответствующее падение постоянного тока на Rc).

Свойство передаточной функции напряжение-ток: дельта(VBE)/дельта(Ic)=26 мВ/Ic (пример: 26 Ом для Ic=1 мА)

Это означает: Для всех значений Rc больше 26 Ом мы иметь усиление напряжения (при условии, что Ic = 1 мА, что вызовет падение постоянного тока на 1 В на Rc = 1 кОм, что не является проблемой для напряжения питания выше 5 вольт или около того..)

Комментарий к очень простым «реостатным» моделям: Эти модели имеют тот недостаток, что любое изменение Vsupply также изменит ток через сопротивление реостата. Однако в действительности это не так. Я бы даже сказал, что моделировать путь коллектор-эмиттер как (управляемое) сопротивление — вводящее в заблуждение чрезмерное упрощение.

\$\конечная группа\$

7

\$\начало группы\$

Транзистор может усиливать, поскольку ток коллектора очень чувствителен к изменениям напряжения на базе, особенно между 0,5 и 0,7 вольт базового напряжения. Например, изменение напряжения на базе на 1% может привести к изменению тока на коллекторе на 100% и более.

Какой механизм делает ток коллектора столь чувствительным к базовому напряжению? Это требует понимания р-n-переходов, но, говоря простым языком, по мере увеличения базового напряжения уменьшается барьер между коллектором и эмиттером, который и без того довольно тонкий. В конце концов, барьер становится достаточно узким, чтобы ток мог протекать через коллектор и эмиттер, поскольку потенциал между ними находится на уровне напряжения, установленного шиной питания. Представьте себе очень широкую плотину, сдерживающую воду, и высоту плотины можно уменьшить. По мере того, как мы уменьшаем высоту плотины, она приближается к высоте воды, и в этот момент много воды начинает стекать с края плотины. Вы можете себе представить, что изменение высоты плотины на 1% может привести к изменению расхода воды через плотину на 50%.

Однако часто на коллекторе мы хотим не изменения тока, а изменения напряжения. Чтобы преобразовать изменения тока в изменения напряжения, мы добавляем резистор между коллектором и шиной напряжения. Таким образом, по мере увеличения тока коллектора напряжение на коллекторе и земле падает. Обратите внимание, что это также означает, что выходной сигнал будет инвертирован, но часто это не имеет значения. Например, если у вас есть синусоидальная волна, входящая в базу с пиковым напряжением 5 мВ, выходное напряжение будет имитировать синусоидальную волну (но с отклонением по фазе на 180 градусов), но с гораздо большим пиковым напряжением. НО я уже говорил, что усиление происходит между 0,5 и 0,7 вольт, так как же 5 мВ могут иметь значение? Вот для чего нужно смещение транзистора, чтобы привести рабочий диапазон транзистора в диапазон входного сигнала.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

^{смоделируйте эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab}

Очень простое не математическое описание (см. комментарии ниже для всех битов, которые я пропустил).

Если на базе (входе) ничего нет, у вас есть только коллектор (вверху), подключенный к шине питания, и эмиттер (внизу), подключенный к земле.

Напомним, что переходы база-эмиттер и база-коллектор похожи на диоды. В этой конфигурации «диод» базы-коллектора имеет обратное смещение, поэтому он выглядит как разомкнутая цепь, и ток не течет. Таким образом, выход находится под тем же напряжением, что и шина питания.

Когда на вход подается небольшое положительное напряжение, переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении и начинает течь ток.

Инжекция носителей заряда в область базы изменяет характеристики перехода база-коллектор таким образом, что это позволяет току течь от коллектора к эмиттеру. Итак, то, что когда-то было разомкнутой цепью (коллектор -> эмиттер), становится частичным проводником, сопротивление которого зависит от тока, подаваемого на базу.

Ток, протекающий через коллектор, снижает выходной уровень. Степень качания зависит от тока в базе (это эффект усиления).

Конечно, транзистор является динамическим компонентом, поэтому, если на вход подается колебательный сигнал (например, от гитарного звукоснимателя), вы получите аналогичные колебания выходного напряжения. Поскольку это выходное напряжение поступает от шины питания, оно может иметь любую мощность, достаточную, например, для питания динамика.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Для BJT необходимо отметить следующие моменты.

1. Ток эмиттера или ток коллектора экспоненциально пропорционален напряжению база-эмиттер.
2. Ток эмиттера прямо пропорционален току базы. (IC = бета * Ib)
3. VCE BJT должен быть больше или равен VBE, чтобы транзистор оставался в активной области (области, где мы хотим, чтобы BJT работал для получения усиления).
4. Транскондуктивность биполярного транзистора равна Ic/Vt (Vt — тепловое напряжение). Значит, крутизна биполярного транзистора зависит от тока коллектора.
5. То есть = IC + Ib

Теперь, если мы хотим получить усиление, наша первая надежда состоит в том, что усиление не сильно изменится при подаче входного напряжения. Но, как видно из приведенных выше пунктов, если я подам ПОВЫШЕННОЕ входное напряжение на VBE, Ic будет меняться экспоненциально по отношению к VBE. Это не та прибыль, которую мы хотим. Хитрость здесь заключается в том, чтобы реализовать отрицательную обратную связь, поместив резистор на эмиттер. Таким образом, изменение VBE вызывает экспоненциальное изменение Ic, которое также протекает через эмиттер и создает экспоненциальное напряжение на эмиттерном резисторе. Теперь, поскольку само напряжение эмиттера имеет встроенную экспоненциальную зависимость (поскольку Vb является входным напряжением, а Ve экспоненциально связано с Vb ( Это применимо только для экземпляра времени )), VBE будет иметь встроенную отрицательную экспоненту (VBE = VB — VE и VE является положительной экспонентой на мгновение), что вернет ток коллектора пропорционально входному напряжению. . Таким образом, мы добились пропорционального соотношения между током коллектора и VBE.

Теперь, если мы подключим резистор RC к стороне коллектора, этот ток будет течь через этот резистор, который будет генерировать выходное напряжение. Это выходное напряжение пропорционально приложенному входному напряжению, а коэффициент пропорциональности равен 9.0138 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ТОК КОЛЛЕКТОРА * RC .

Надеюсь, вы понимаете разницу в СДВИГАТЕЛЬНОМ и ИНКРЕМЕНТАЛЬНОМ изображении цепей.

Для размышления: если эмиттерный резистор не используется, отношение VBE к IC носит экспоненциальный характер и, следовательно, усиление.

\$\конечная группа\$

9

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

bjt — Как определяются желаемые характеристики в схеме усилителя с общим эмиттером? (новичок)

спросил 1 год, 3 месяца назад

Изменено 1 год, 3 месяца назад

Просмотрено 182 раза

\$\начало группы\$

Недавно из любопытства я читал о схемах усилителей и хотел бы попытаться разработать свою собственную. Однако сначала я хотел бы понять, как определяются различные характеристики усилителя. Я скопировал онлайн-пример для более простого объяснения:

Задача : Разработайте усилитель с общим эмиттером на транзисторе 2N3904, отвечающий следующим требованиям:

• Ic = 2 мА
• В пост. тока = 30 В
• Ср = -50 В/В
• Rin = 4 кОм
• RL = 1 кОм
• Vin = 10 мВ при 10 кГц

Я понимаю, что затем составляются и реализуются различные уравнения для определения оставшихся значений, но я хотел бы узнать, как были определены эти предоставленные значения.

Просмотрел 2Н3904 в подробностях, но не понимает, какие части влияют на определение Ic и Vcc. У меня нет формального образования в качестве инженера-электрика, поэтому ваше терпение будет очень признательно.

(Источник: https://www2.seas.gwu.edu/~ece20/Spring2011/labs/tutorials/Tutorial5_Designing_Common_Emitter_Amplifier.pdf) \$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Вот несколько соображений, которые могут повлиять на смещение биполярного транзистора усилителя.

Первое, что чаще всего упускают из виду, это шум. У BJT есть то, что называется коэффициентом шума. Я перефразирую эту статью в Википедии, в которой говорится, что коэффициент шума представляет собой децибелальное представление «отношения фактического выходного шума к тому, что осталось бы, если бы само устройство не создавало шум». С точки зрения отношения сигнал/шум (SNR) это отношение входного SNR к выходному SNR.

Очевидно, что некоторые приложения потребуют от вас особого внимания к минимизации шума, например микрофонный предусилитель. Это имеет смысл, если учесть, что коэффициент усиления микрофонного усилителя может исчисляться сотнями, и любой шум, присутствующий в начальных каскадах усиления, также будет усиливаться этим коэффициентом.

Другие могут быть менее озабочены шумом, например, выходной каскад усилителя звука (если вы не меломан) с коэффициентом усиления по напряжению, равным 1. В таких случаях вы, вероятно, не будете заботиться о нескольких дополнительных микровольтах. шума.

Если вас беспокоит шум, вам нужно использовать транзистор, который хорошо работает в этом отношении, и сверьтесь с любой информацией о коэффициенте шума, представленной в техническом описании. Например, в техническом описании OnSemi 2N5089 говорится, что это устройство имеет коэффициент шума 2 дБ. Сравните это с коэффициентом шума 2N3904 около 5 дБ.

Это техническое описание необычайно хорошо, поскольку в нем подробно описаны шумовые характеристики (и даже включена модель Spice) с такими графиками (со страницы 6):

Как видите, если вы хотите свести к минимуму шум, вам нужно будет использовать этот транзистор в режиме, который помещает его в благоприятную точку на одном из этих графиков. Вы можете видеть, что в идеале ток коллектора должен быть чуть выше 200 мкА.

Еще один более простой пример, который я могу придумать, это когда вы заинтересованы в передаче максимальной мощности, когда вам требуется входное сопротивление, равное источнику. Чтобы спроектировать входное сопротивление 600 Ом для согласования с микрофоном 600 Ом, вам потребуется параллельная комбинация базовых резисторов смещения, равная 600 Ом:

То, что висит на выходе, будет иметь большое влияние. Вы должны поддерживать выходной импеданс значительно ниже, чем входной импеданс следующего каскада, чтобы все было максимально линейно и чтобы следующий каскад не испортил смещение этого каскада. Обычно это означает, что сопротивление коллектора должно быть как можно меньше.

В большинстве случаев рекомендуется поддерживать все сопротивления как можно более низкими (конечно, не нарушая каких-либо других ограничений, таких как энергопотребление), поскольку каждый резистор является источником шума, который усиливается по мере увеличения сопротивления.

Что касается усиления, я уверен, что вы уже знаете, что полоса пропускания, достижимая для вашего усилителя, ограничена недостатками транзистора и различными другими «паразитными» элементами, присутствующими в системе. Таким образом, коэффициент усиления (-Rc/Re) по отношению к пропускной способности — еще одна вещь, усложняющая вашу жизнь. Вы не можете просто сделать Rc в сто раз больше, чем Re, и ожидать, что коэффициент усиления будет равен -100 вплоть до 60 кГц для вашего ультразвукового приемника с дистанционным управлением.

У вас может возникнуть соблазн поместить напряжение коллектора посередине между источниками питания, но в этом может не быть необходимости. Если, например, вы ожидаете размах на выходе только в 100 мВ, вы можете разместить выходной уровень покоя более или менее где угодно, что дает вам большую свободу выбора значений для Rc и Re.

Безусловно, есть и другие соображения, определяющие различные «целевые характеристики» любого усилителя, но это должно дать вам некоторое представление о том, как вы могли бы начать их решать.

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Ток покоя обычно исходит из других соображений.

---

Возможно, это предварительный усилитель. Здесь цель обычно состоит в том, чтобы настроить все так, чтобы вклад шума BJT был минимизирован по отношению к шуму источника. Есть такая вещь, как «коэффициент шума», который выражает шум, добавляемый каскадом усилителя BJT, по сравнению с шумом, создаваемым источником. В идеальной ситуации BJT не добавляет шума, а коэффициент шума равен \$0\:\text{дБ}\$. Но, конечно, реальность означает, что это никогда не бывает правдой. BJT имеет шум Джонсона для его базового сопротивления и дробовой шум для токов, пересекающих его PN-переход, и это усугубляет ситуацию. В подобном случае ток покоя (остальные сведения о BJT одинаковы) выбирается с более высокими значениями, используемыми для более низких импедансов источника, и более низкими значениями, используемыми для более высоких импедансов источника.

В общих чертах, вы хотите, чтобы ток коллектора покоя находился где-то между \$\frac{300\:\text{мВ}}{R_{_\text{SOURCE}}}\$ и \$\frac{3 \:\text{V}}{R_{_\text{ИСТОЧНИК}}}\$. Можно просто использовать \$\frac{1\:\text{V}}{R_{_\text{SOURCE}}}\$. Если импеданс источника составляет около \$600\:\Omega\$ (один из многих аудиостандартов), то вы можете найти \$I_{_\text{Q}}\приблизительно 1,7\:\text{мА}\$ в качестве вариант. Наконец, если сопротивление источника превышает несколько десятков кОм, JFET, вероятно, является лучшим выбором для анализа шума.

Приведенный выше абзац «почти бесполезен», если вы серьезно относитесь к шуму. На эту тему есть очень хорошо написанная книга, в которой глава 5 посвящена хорошему обсуждению шума и BJT: Беркхард Фогель, 2-е издание «Сбалансированные фоно-усилители: расширение к изданиям «Звук тишины» ». Это тот вид книги, который вы хотите иметь под рукой, чтобы не пропустить что-то важное. На самом деле, я думаю, что эта книга имеет уникальную ценность и обязательна.

---

Другой способ игнорирует проблемы с шумом и вместо этого фокусируется на колебаниях коэффициента усиления напряжения из-за сигнала. Изменение усиления в зависимости от сигнала — это еще один способ сказать искажение . И низкий уровень искажений — еще одна возможная цель. В этом случае есть другие расчеты.

Формула немного длинная, и даже в ней игнорируются детали. Еще больше упрощая, вы можете очень грубо аппроксимировать его, используя только выходное сопротивление, величину усиления и желаемый коэффициент нелинейных искажений. О \$I_{_\text{Q}}\приблизительно\frac{\mid A_v\mid\,V_T}{2\,R_{_\text{C}}\,\sqrt{{T\! \маленький HD}}}\$. Например, если \$R_{_\text{C}}=2,7\:\text{k}\Omega\$, \$\mid A_v\mid=50\$ и \${T\! \small HD}=1\%\$, тогда я получаю около \$I_{_\text{Q}}\приблизительно 2,4\:\text{мА}\$.

Однако более полная версия учитывает входной сигнал, и для вашего случая размах входного сигнала равен \$v_{_\text{PP}}\приблизительно 28,3\:\text{мВ}\$ (при условии, что спецификация RMS) вместо этого я нахожу \$I_{_\text{Q}}\ приблизительно 3,1\:\text{мА}\$.

---

Спецификации вашего примера мне не очень понятны. Относительно большое значение \$V_{_\text{CC}}\$ и малое значение \$I_{_\text{Q}}\$ указывают на наличие коллекторного резистора с большим номиналом. Но полное сопротивление выходной нагрузки, \$R_{_\text{L}}\$, означает, что большая часть коэффициента усиления разомкнутого контура быстро распределяется. Это означает, что усиление каскада должно быть намного выше для компенсации — настолько выше, что вам почти пришлось бы использовать заземленный эмиттер. Но это означает низкий входной импеданс (намного ниже указанного в спецификации), а также без ООС, а также искажения — очень много.

Но я всего лишь любитель. Надеюсь, люди получше, чем я, скинутся и помогут.

\$\конечная группа\$

0

\$\начало группы\$

Сначала я хотел бы понять, как определяются характеристики различных усилителей.

Великолепный дизайн приходит только тогда, когда мы учимся делать хорошие спецификации , а затем извлекать их, а учат наоборот. (В любом случае, вам нужны оба варианта)

Вместо того, чтобы следовать примеру плохой конструкции из учебника, посмотрите на CE, NPN с общим эмиттером с Н-смещением в этом классическом приборе: анализатор спектра Tektronix 492, а затем изучите спецификации из дизайн.

См. вставку 2

• Zin = 47 Ом + re = 50 Ом
  Катушка с отводом от коллектора к центру ~ > 100 нГн с высоким импедансом и без потерь
• Коэффициент усиления по напряжению составляет 50 % от 1 кОм/50 = 10 при одной нагрузке 50 Ом
• Zout составляет ~3 Ом из-за отрицательной обратной связи коллектора. таким образом, он может управлять четырьмя нагрузками по 50 Ом [коробка 3] каждая с коэффициентом усиления 2. Этот двойной источник питания может иметь шум и фильтруется конденсаторами 100 Ом 0,022

Усилители с общим эмиттером или усилители CE представляют собой базовые простые ТТЦ для усиления напряжения общего назначения, которое является произведением коэффициентов усиления тока и импеданса. Часто используется Sig на 50 Ом. ген. но не всегда, поэтому для определения затухания на входе и связи по переменному току необходимо указать импеданс источника.

Мы можем рассчитать некоторое усиление по мощности, но здесь мы рассмотрим только усиление по напряжению и предполагаем некоторое усиление по току hFE из спецификации 2N3904. (хотя 2N5088 является гораздо лучшим выбором для аудио из-за более высокого hFE, когда-то он был золотым стандартом (каламбур, потому что они добавили легирование золотом для достижения более высокого hFE)

Для больших колебаний, управляющих более низким импедансом, чем Rc-коллектор, который является вашим выходным импедансом, глупо, и когда переменный ток нагрузки превышает ваш постоянный ток коллектора, транзистор больше не проводит.

Следовательно, аудиоусилители и операционные усилители всегда имеют нагрузку, намного превышающую выходное сопротивление. РЛ>> Зут (Обычно импеданс драйвера в 100 раз ниже) В то время как «максимальная передача мощности, теория MPT говорит, что это происходит, когда импедансы согласованы, мы не имеем здесь дело с большой мощностью и просто хотим усиления напряжения. Простой усилитель CE больше похож на «предусилитель». перед любым усилителем мощности, если это необходимо.

Поскольку это простой усилитель, он хорош для обучения, но есть гораздо лучшие варианты с дифференциальными усилителями, операционными усилителями и т. д. Но мы не будем это обсуждать.

Кроме того, этот пример в учебном пособии является учебным упражнением с плохими спецификациями дизайна. Таким образом, это плохой пример дизайна, а скорее, как понять плохой дизайн с плохими характеристиками, например, увидеть, как нагрузка 1K сильно ослабляет Rc = 4k, а затем вспомнить, чтобы не делать этого снова, и не указывать максимальный ввод, потому что вам не нужно центрировать Выход коллектора постоянного тока, если вы управляете выходом переменного тока только до 150 мВ при напряжении питания 30 В постоянного тока.

Итак, давайте поговорим о вариантах дизайна, чтобы увидеть, что необходимо для простого дизайна.

Пример модифицированной конструкции:

Вход: 20 Гц мин., 80 мВ пик-пик макс.
Импеданс источника: 1 кОм минимум от 5 до 9 В для минимизации искажений на каждом пике (отсечка и насыщение)

• отсечка происходит, когда Ic переходит в 0, а коллектор NPN переходит в Vcc, но перед этим усиление уже начало уменьшаться
• насыщение происходит, когда Vce падает ниже 0,7 В. Поскольку это представляет собой максимальное значение Ic, когда усиление начинает увеличиваться до того, как дно отключается, когда коллектор приближается к земле.

---

продолжение следует

Когда коэффициент усиления AV высок, гармоника 2-го порядка также высока из-за нелинейности изменения Vbe к Ic. Вот почему NFB используется для снижения коэффициента усиления со 100 без обратной связи до 50 или менее с добавлением Rcb для уменьшения колебаний Vbe.