3.2.1 Анализ схемы включения транзистора с общим эмиттером

Биполярный транзистор – прибор, состоящий из трех полупроводниковых кристаллов с чередующимся типом примесной проводимости и тремя электрическими выводами.

Рис.1. Упрощенная структура и обозначение n – p – n — транзистора.

На рис.1 показана упрощенная структура — транзистора и приведено его обозначение в схемах.

Транзистор имеет два -перехода, взаимодействующих между собой (ток одного перехода влияет на ток другого перехода). Взаимодействие обусловлено малым расстоянием между переходами, называемым толщиной базы. Электрические свойства -перехода описаны в Приложении 1.

Левый (первый) — переход называется эмиттерным, через него течёт ток эмиттера . Правый (второй) — переход называется коллекторным и через него протекает ток коллектора .

Ток через базовый контакт называется базовым .

Обычно концентрация дырок в базе много меньше концентрации электронов в эмиттере и коллекторе, поэтому ток эмиттера практически полностью определяется инжектированными в базу электронами эмиттера. Часть электронов эмиттера, прошедших через коллекторный переход, образуют ток коллектора, остальные – ток базы, то есть всегда выполняется соотношение .

Из физических соображений следует, что величины токов эмиттера, коллектора и базы должны зависеть от знака и величины напряжений на двух переходах: и . Иначе говоря, сопротивление транзистора

в общем случае должно зависеть от этих двух величин. При различных комбинациях напряжений на переходах транзистор будет работать в разных режимах, поэтому одна и та же схема с транзистором может выполнить различные преобразования сигнала.

Проведем анализ работы схемы с n – p – n-транзистором при его включении с общим эмиттером (ОЭ), показанной на рис. 2. В схеме транзистор соединен последовательно с резистором относительно источника постоянной ЭДС . Направления токов базы, коллектора и эмиттера показаны стрелками. Во входную цепь транзистора (цепь база – эмиттер) подается напряжение, то есть .

Выходное напряжение снимается между коллектором и эмиттером: . Видно, что эмиттер является общим электродом для входа и выхода схемы, отсюда название включения транзистора в схеме – с общим эмиттером (ОЭ).

Схема рис.2 является четырехполюсником и для его анализа нужно найти зависимость выходного напряжения от входного, то есть его передаточную характеристику.

UВХ UВЫХ RК +Eк IК IЭ IБ

Рис. 2 Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Передаточную характеристику можно найти с использованием второго закона Кирхгофа для коллекторной цепи (рис.2), из которого следует

(1)

Соотношение (1) устанавливает связь между напряжением на выходе схемы и коллекторным током. Поскольку транзистор – нелинейный резистор, то цепь коллекторного тока – нелинейная цепь и можно найти одним из методов анализа нелинейных резистивных цепей.

В описании к лабораторной работе «Усилитель на биполярном транзисторе» проведен анализ этой цепи графическим и графоаналитическим методами, которые основаны на использовании экспериментально снятых вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора, заданных

графически. Использование ВАХ конкретного транзистора позволяет получить численные значения токов в цепи рис.2 при заданных значениях входного напряжения , то есть провести количественный анализ нелинейной цепи.

Однако ВАХ определяются физическими процессами, происходящими при протекании токов через два -перехода транзистора, когда на эти переходы подаются внешние напряжения. Поэтому можно провести физический анализ нелинейной цепи и четырехполюсника рис.2, рассматривая только эти физические процессы, что мы сделаем в этой работе. Очевидно, этот метод может дать только

качественный ход передаточной характеристики схемы.

В зависимости от величины и знака входного напряжения, поступающего на первый переход , транзистор в схеме может работать в трех режимах, которые определяют коллекторный ток в цепи, а, значит, и передаточную характеристику схемы в соответствии с (1). Рассмотрим эти режимы.

Режим отсечки. Если ≤ 0, то есть потенциал базы меньше потенциала эмиттера, из рис.1 следует, что первый переход заперт, так как основные носители заряда эмиттера – электроны – не проходят в область базы. Из рис.1 и рис.2 видно, что второй переход тоже заперт, поскольку > 0. Режим работы транзистора, когда

оба перехода закрыты, называется режимом отсечки. Через эмиттерный и коллекторный переходы в этом режиме текут малые токи и , так как они обусловлены электронами базы – неосновными носителями в базовой области. Поэтому в режиме отсечки сопротивление транзистора, равное , должно быть большим (несколько десятков и сотен кОм, как показывает опыт). Говорят, что транзистор заперт.

Можно считать, что транзистор в режиме отсечки практически размыкает выход четырехполюсника. Действительно, в этом режиме напряжение на выходе схемы из (1) равно

(2)

Если напряжение на базе становится положительным, то первый переход открывается и через него течет ток эмиттера , обеспечивающий токи коллектора и базы . Хотя ток эмиттера отличен от нуля при любом малом положительном напряжении на базе, ток через первый переход становится заметным лишь при напряжении, превышающим пороговое , величина которого определяется контактным напряжением на переходе (см. Приложение 1). Для кремниевых транзисторов ≈ 0.6 В.

Таким образом, транзистор открывается при ≥ , однако количественное соотношение между и зависит от соотношения между величинами и . Поэтому для открытого транзистора различают активный режим работы и режим насыщения.

Активный режим работы. При > ≥ эмиттерный переход открыт, а коллекторный заперт. Такой режим называют

активным. В этом случае электроны инжектируются из эмиттера, создавая значительный ток эмиттера , и попадают в базу, где являются неосновными носителями заряда. Так как толщина базы делается меньше диффузионной длины пробега электронов, большая часть электронов не успевает рекомбинировать с дырками базы, достигает второго перехода и проходит через него, поскольку для неосновных носителей базы этот переход открыт. Меньшая часть электронов образует ток базы. Таким образом, при условии < коллекторный ток оказывается пропорциональным и почти равным току эмиттера, то есть , где коэффициент немного меньше единицы.

Пропорциональность тока коллектора эмиттерному току означает возможность управления выходным током за счет изменения , который, в свою очередь, зависит от напряжения на первом переходе , то есть . Можно сказать, что транзистор в активном режиме является нелинейным, электрически управляемым резистором. Это свойство транзистора в активном режиме используется в схемах для различных преобразований электрических сигналов, поступающих на вход, в том числе для усиления сигналов.

В описании к работе «Усилитель на биполярном транзисторе» режим цепи с транзистором в активном режиме рассмотрен подробнее. Итак, в активном режиме работы транзистора напряжение на выходе схемы зависит от величины и может быть записано из (1) в общем виде

(3)

Режим насыщения. При увеличении напряжения на базе в результате резкого роста коллекторного тока в активном режиме падение напряжения на увеличивается, а потенциал коллектора уменьшается, и при некотором станет меньше потенциала базы, то есть второй переход откроется. Таким образом, при > оба перехода открыты и такой режим работы транзистора называют режимом насыщения. В этом случае ток коллектора зависит от напряжения на коллекторе и практически не зависит от напряжения на первом переходе. То есть, в режиме насыщения возможность управления выходным током открытого транзистора со стороны входа теряется. Как показывает опыт, для кремниевых транзисторов режим насыщения наступает при = ≈ 0.8В.

Так как в режиме насыщения оба перехода открыты, сопротивление транзистора должно быть малым (два – три десятка Ом, как показывает опыт). Коллекторный ток в этом случае можно найти из закона Ома и он близок к максимальному току в цепи рис.2

Из соотношения (1) следует, что напряжение на выходе схемы при работе транзистора в режиме насыщения равно

(4)

Иначе говоря, транзистор в режиме насыщения практически накоротко замыкает выход четырехполюсника.

UБ пор Eк А Б 0 UБ нас Uкэ UБЭ

Рис. 3. Примерная передаточная характеристика четырехполюсника

Используя выражения (2), (3) и (4) можно графически изобразить примерную передаточную характеристику схемы рис.2, то есть зависимость от . Эта характеристика приведена на рис.3. Участок АБ передаточной характеристики, где происходит резкое изменение выходного напряжения при изменении входного, соответствует активному режиму работы транзистора. Активный режим существует в конечной области напряжений на базе > ≥ . Для кремниевых транзисторов эта область заключена между 0.8В ≥ ≥ 0.6В.

Очевидно, при всех ≤ транзистор находится в режиме отсечки, а при всех ≥ – в режиме насыщения.

Усилитель с общим эмиттером

Прежде чем использовать транзистор в качестве усилителя, на него нуж­но подать правильные напряжения смещения (задать режим работы по постоянному току), как показано на рис. 22.1(а) для прп-транзистора. Два напряжения смещения — V_BE(обеспечивающее прямое смеще­ние эмиттерного перехода) и V_CB(обеспечивающее обратное смещение коллекторного перехода) — подаются от последовательно соединенных источников. Эти источники можно заменить делителем напряжения R₁ – R₂, как показано на рис. 22.l(б). Теперь можно обойтись одним источником питания постоянного тока с напряжением V_CC. Отношение сопротивлений резисторов R₁ и R₂ выбирается таким, чтобы на базе тран­зистора устанавливалось требуемое значение напряжения смещения.

Протекание тока покоя I_s = V_CC / (R₁ – R₂) через цепь смещения R₁ – R₂ связано с потреблением дополнительной мощности от источни­ка питания. Для уменьшения тока покоя применяются высокоомные резисторы R₁ – R₂. Однако, как будет показано далее, очень большое сопротивление R₁ приводит к снижению стабильности транзистора по постоянному току.

Потенциал базы транзистора отсчитывается относительно провода с нулевым потенциалом или шасси (поэтому допустимо говорить «напряжение на базе») и, следовательно, равен падению напряжения на резисторе R₂.

 

Рис. 22.1. Базовое смещение npn-транзистора.

 

Рис. 22.2. Базовое смещение pnp-транзистора.

Потенциал базы

 Например, при V_СС = 10 В, R₁ = 15 кОм, R₂, = 1 кОм получаем

Изменяя номиналы резисторов R₁ и R₂, можно изменять напряжение на базе.

Тот же самый способ смещения применяется и для рпр-транзистора (рис. 22.2). В этом случае используется источник питания с напряжением отрицательной полярности (—V_СС). Делитель напряжения R₁ – R₂ выполняет ту же функцию, что и в случае прп-транзистора. Тот факт, что питающее напряжение отрицательно, нужно обязательно принимать во внимание, но в расчетах можно не учитывать. Таким образом,

Напряжение на базе равно -0,625 В.

Для получения прямого смещения эмиттерного перехода потенции базы должен быть «выше» потенциала эмиттера, т. е. быть более положительным, чем эмиттер в                          прп-транзисторе, и более отрицательным в рпр-транзисторе. Вообще, независимо от типа используемого транзистор потенциал базы всегда выше потенциала эмиттера, но ниже потенциал коллектора.

Как объяснялось в предыдущем разделе, величина тока, протекающего через транзистор, определяется напряжением прямого смещения эмиттерного перехода, т. е. разностью потенциалов базы и эмиттера V_BE= V_b – V_e. Изменение потенциалов базы или эмиттера приводит к изменению тока транзистора. В рассматриваемой транзисторной схемеэмиттер имеет потенциал шасси, следовательно, изменяться может толь­ко потенциал базы. 

Например, если потенциал базы V_b возрастает относительно потенциала эмиттера (становится более положительным для npn-транзистора или бо­лее отрицательным для pnp-транзистора), то разность потенциалов V_BE увеличивается, что приводит к увеличению тока транзистора. Уменьше­ние потенциала базы V_bотносительно потенциала эмиттера сопровожда­ется уменьшением величины V_BEи, следовательно, уменьшением тока транзистора.

Коллекторный (нагрузочный) резистор

Чтобы снять выходное напряжение с коллектора, в цепь коллектора включается нагрузочный резистор R₃, называемый также коллекторным резистором (рис. 22.3). Коллекторный ток I_c, протекая через коллектор­ный резистор R₃, создает на нем падение напряжения. Следовательно,

Так как все напряжения измеряются относительно шасси или потенци­ала земли, то коллекторное напряжение V_CEесть разность потенциалов между коллектором и шасси. Как видно из схемы,

где V_CC — напряжение источника питания, следовательно, V_CE= V_CC – V_R3. Для типичных величин, указанных на схеме, получаем

  (приблизительно),

V_CE= V_CC – V_R3,= 10 – 4 = 6 В. 

Тепловой пробой

Как уже отмечалось, неосновные носители образуют так называемый ток утечки обратносмещенного перехода. Ток утечки I_CB0 (часто называе­мыйобратным коллекторным током) протекает через обратносмещенный коллекторный переход транзистора так, как показано на рис. 22.4. Этот ток усиливается точно так же, как входной (базовый) ток, с коэффици­ентомусиления β. При увеличении температуры транзистора ток утечки возрастает. Он усиливается транзистором и увеличивает коллекторный ток, что приводит к дальнейшему повышению температуры транзистора и, следовательно, тока утечки и т. д. Описанный процесс, называемый тепловым пробоем, носит лавинообразный характер, и если его оставив без контроля, может привести к разрушению транзистора.

                                                                      

Рис. 22.3. Нагрузочный резистор R₃.

Рис. 22.4. Ток утечки I_CB0.

Стабилизация рабочего режима по постоянному току

В усилителе с ОЭ наличие тока утечки коллекторного перехода приводит к нестабильности режима работы транзистора по постоянному току (статического режима). Эту нестабильность можно преодолеть, включи резистор R₄ в эмиттерную цепь транзистора, как показано на рис. 22.5. Потенциал эмиттера в этом случае становится равным падению напряжения на резисторе R₄, которое создается при протекании эмиттерного тока I_e через этот резистор. Таким образом, V_e = I_e·R₄. Стабилизации режима по постоянному току осуществляется следующим образом.

Предположим, что из-за возрастания тока утечки увеличились токи I_c и I_e. Тогда вместе с ними увеличивается и потенциал эмиттера V_e. Поскольку V_BE= V_b— V_e, то увеличение V_e приводит к уменьшению V_BE. В результате уменьшается базовый ток, и величины токов I_c и I_e возвращаются к своим первоначальным значениям. С помощью эмиттерного резистора R₄ вводится отрицательная обратная связь, обеспечивающая стабилизацию статического режима усилителя. Используя типичные номиналы резисторов, указанные на рис. 22.5, и принимая ток эмиттера I_e = 1,2 мА, получаем

     

Рис. 22.5.  Стабилизация усили­теля с                                                                      Рис. 22.6

общим эмиттером на прп-транзисторе с

помощью резистора R₄ в цепи эмиттера.

В этом видео рассказывается о схеме включения транзистора с общим эмиттером:

Добавить комментарий

Конфигурация с общим эмиттером (CE) или усилитель с общим эмиттером

Общий эмиттер Конфигурация

В конфигурация с общим эмиттером, база — входной терминал, коллектор — выходной терминал, а эмиттер — общий клемма как для входа, так и для выхода. значит база клемма и клемма с общим эмиттером известны как вход клеммы, тогда как клемма коллектора и общий эмиттер клеммы известны как выходные клеммы.

В конфигурация с общим эмиттером, клемма эмиттера заземлена поэтому конфигурация с общим эмиттером также известна как заземленная. конфигурация излучателя. Иногда конфигурация с общим эмиттером также упоминается как конфигурация CE, общий эмиттер усилитель или усилитель CE. Общий эмиттер (CE) конфигурация является наиболее широко используемым транзистором конфигурация.

Усилители с общим эмиттером (CE) используются, когда большой ток выигрыш нужен.

входной сигнал подается между выводами базы и эмиттера при этом выходной сигнал снимается между коллектором и клеммы эмиттера. Таким образом, эмиттерный вывод транзистора является общим как для ввода, так и для вывода, поэтому он называется конфигурация с общим эмиттером.

напряжение питания между базой и эмиттером обозначается V _BE а напряжение питания между коллектором и эмиттером равно обозначен V _CE .

В конфигурация с общим эмиттером (CE), входной ток или базовый ток обозначается I _B , а выходной ток или ток коллектора обозначается I _C.

Усилитель с общим эмиттером имеет среднее входное и выходное сопротивление. уровни. Таким образом, коэффициент усиления по току и коэффициент усиления по напряжению общего эмиттерный усилитель средний. Однако прирост мощности высокий.

Кому полностью описать поведение транзистора с конфигурацией CE нам нужно два набора характеристики – входные характеристики и выходные характеристики.

Ввод характеристики

входные характеристики описывают взаимосвязь между входными ток или базовый ток (I _B ) и входное напряжение или напряжение база-эмиттер (V _BE ).

Первый, нарисуйте вертикальную линию и горизонтальную линию. Вертикальная линия представляет ось Y, а горизонтальная линия представляет ось X. входной ток или базовый ток (I _B ) берётся с собой по оси y (вертикальная линия) и входное напряжение (V _BE ) _{берется по оси x (горизонтальная линия).}

Кому определить входные характеристики, выходное напряжение В _CE сохраняется постоянным при нуле вольт и входном напряжении V _BE увеличивается от нуля вольт до различных уровней напряжения. За каждый уровень напряжения входного напряжения (В _ВЕ ), соответствующий входной ток (I _B ) записывается.

А Затем строится кривая между входным током I _B и входное напряжение В _BE при постоянном выходном напряжении В _CE (0 вольт).

Далее, выходное напряжение (V _CE ) увеличивается от нуля вольт до определенного уровня напряжения (10 вольт) и выход напряжение (В _CE ) остается постоянным на уровне 10 вольт. В то время как повышение выходного напряжения (V _CE ), входного напряжение (V _BE ) поддерживается постоянным на уровне нуля вольт. После мы сохранили выходное напряжение (V _CE ) постоянным на уровне 10 вольт, входное напряжение V _BE увеличено от нуля вольт на разные уровни напряжения. Для каждого уровня напряжения входное напряжение (В _BE ), соответствующий ввод ток (I _B ) записывается.

А Затем строится кривая между входным током I _B и входное напряжение В _BE при постоянном выходном напряжении В _CE (10 вольт).

Это процесс повторяется для более высоких фиксированных значений выходного напряжения (В _СЕ ).

Когда выходное напряжение (В _CE ) находится при нулевом напряжении и переход эмиттер-база смещен в прямом направлении входным напряжением (V _BE ), переход эмиттер-база ведет себя как обычный диод с p-n переходом. Таким образом, входные характеристики Конфигурация CE такая же, как характеристики нормального pn переходной диод.

напряжение отсечки кремниевого транзистора составляет 0,7 вольта и германиевый транзистор 0,3 вольта. В нашем случае это кремниевый транзистор. Итак, из приведенного выше графика мы видим, что после 0,7 вольт небольшое увеличение входного напряжения (V _БЭ ) быстро увеличивает входной ток (I _B ).

В конфигурация с общим эмиттером (CE), входной ток (I _B ) очень мал по сравнению с входным током (I _E ) в общем базовая (CB) конфигурация. Входной ток в CE конфигурация измеряется в микроамперах (мкА) тогда как входной ток в конфигурации CB измеряется в миллиампер (мА).

В конфигурация с общим эмиттером (CE), входной ток (I _B ) производится в базовой области, которая слабо легирована и имеет небольшая ширина. Таким образом, базовая область производит только небольшой ввод текущий (I _B ). С другой стороны, в общей базе (CB), входной ток (I _E ) производится в эмиттерной области, которая сильно легирована и имеет большая ширина. Таким образом, область эмиттера производит большой входной сигнал. ток (I _Е ). Следовательно, входной ток (I _B ) произведенный в конфигурации с общим эмиттером (CE), невелик, как по сравнению с конфигурацией с общей базой (CB).

Срок для прямого смещения переход эмиттер-база действует как прямой смещенным диодом и за счет обратного смещения коллектор-база переход работает как диод с обратным смещением.

Следовательно, в ширина области обеднения на переходе эмиттер-база очень мала, тогда как ширина обедненной области на переход коллектор-база очень большой.

Если выходное напряжение V _CE приложено к переход коллектор-база еще больше увеличивается, обеднение ширина области еще больше увеличивается. Базовая область слегка легирована по сравнению с областью коллектора. Таким образом, истощение область больше проникает в базовую область и меньше в район коллектора. В результате ширина базовой области уменьшается, что, в свою очередь, уменьшает входной ток (I _Б ) производится в базовом регионе.

От вышеуказанных характеристик, мы можем видеть, что для более высоких фиксированных значений выходного напряжения V _CE кривая смещается в сторону правая сторона. Это связано с тем, что для более высоких фиксированных значений выходное напряжение, напряжение отсечки увеличивается выше 0,7 вольт. Следовательно, чтобы преодолеть это падение напряжения, необходимо больше напряжение В _BE требуется, чем в предыдущем случае.

Выход характеристики

выходные характеристики описывают взаимосвязь между выходной ток (I _C ) и выходное напряжение (V _CE ).

Первый, нарисуйте вертикальную линию и горизонтальную линию. Вертикальная линия представляет ось Y, а горизонтальная линия представляет ось X. выходной ток или ток коллектора (I _C ) взят по оси y (вертикальная линия), а выходное напряжение (V _CE ) _{берется по оси x (горизонтальная линия).}

Кому определить выходные характеристики, входной ток или базовый ток I _B поддерживается постоянным на уровне 0 мкА, а выходной напряжение V _CE увеличено с нуля вольт до разные уровни напряжения. Для каждого уровня выходного напряжения соответствующий вывод ток (I _C ).

А Затем строится кривая между выходным током I _C и выходное напряжение В _CE при постоянном входном токе I _B (0 мкА).

Когда ток базы или входной ток I _B = 0 мкА, транзистор работает в области отсечки. В этом оба перехода смещены в обратном направлении.

Далее, входной ток (I _B ) увеличивается с 0 мкА до 20 мкА путем регулировки входного напряжения (V _BE ). Вход ток (I _B ) _{поддерживается постоянным на уровне 20 мкА.}

Пока увеличение входной ток (I _B ), выходное напряжение (V _CE ) поддерживается постоянным на уровне 0 вольт.

После того, как мы сохранили ввод ток (I _B ) постоянный при 20 мкА, выходное напряжение (V _CE ) увеличивается с нуля вольт до различных уровни напряжения. Для каждого уровня напряжения выходного напряжения (V _CE ), соответствующий выходной ток (I _C ) записывается.

А Затем строится кривая между выходным током I _C и выходное напряжение В _CE при постоянном входном токе I _Б (20 мкА). Эта область известна как активная область транзистора. В этой области переход эмиттер-база смещен в прямом направлении и переход коллектор-база смещен в обратном направлении.

Это шаги повторяются для более высоких фиксированных значений входного тока I _B (т.е. 40 мкА, 60 мкА, 80 мкА и т. д.).

Когда выходное напряжение В _СЕ снижается до небольшой величины (0,2 V) переход коллектор-база смещается в прямом направлении. Этот потому что выходное напряжение V _CE имеет меньший эффект на переходе коллектор-база, чем входное напряжение V _BE .

Как мы знаем, что переход эмиттер-база уже находится в прямом направлении пристрастный. Следовательно, когда оба перехода смещены в прямом направлении, транзистор работает в области насыщения. В этом регион, небольшое увеличение выходного напряжения V _CE будет быстро увеличивает выходной ток I _С .

Транзистор параметры

Динамический ввод сопротивление (r

_i )

Динамический вход сопротивление определяется как отношение изменения входного напряжения или базовое напряжение (V _BE ) на соответствующее изменение входного тока или базового тока (I _B ), с выходное напряжение или напряжение коллектора (В _CE ) хранится в постоянный.

В Конфигурация CE, входное сопротивление очень низкое.

Динамический выходное сопротивление (r _или )
Динамический вывод сопротивление определяется как отношение изменения выходного напряжения или напряжение коллектора (V _CE ) к соответствующему изменение выходного тока или тока коллектора (I _С ), с входным током или базовым током (I _B ), поддерживаемым на уровне постоянный.

В Конфигурация CE, выходное сопротивление высокое.

Коэффициент усиления по току (α)

коэффициент усиления по току транзистора в конфигурации CE определяется как отношение выходного тока или тока коллектора (I _C ) к входному току или базовому току (I _B ).

коэффициент усиления по току транзистора в конфигурации СЕ высок. Поэтому транзистор в конфигурации CE используется для усиление тока.

Схема транзисторного усилителя с общим эмиттером с пошаговыми инструкциями

Введение

Транзистор представляет собой устройство регулирования тока. Например, управлять током коллектор-эмиттер, изменяя ток базы. В общем случае усиления напряжения этот эффект усиления возникает из-за использования резисторов для преобразования тока в напряжение. В модели слабого сигнала источником тока базы является отношение входного напряжения к динамическому сопротивлению база-эмиттер rbe, которое обычно равно кОм. Таким образом, базовый ток очень мал и может составлять всего несколько десятых мА. За счет усиления транзистора между коллектором и эмиттером возникает базовый ток в β раз. В этой статье будет рассказано, как работает транзистор в схема усилителя с общим эмиттером .

Transistor Amplifiers Circuit Introduction

Catalog

Introduction

Ⅰ Common-emitter Amplifier Circuit Formula

Ⅱ Common-emitter Amplifier Circuit Design 2.1 Design Steps 2.2 Анализ схемы 2.3 Конструкция схемы с общим эмиттером 2.4 Рабочие параметры схемы

ⅲ Расширение схемы усилителя общего эмиттера 3,1 Увеличение увеличения 3.2. Резюме

Ⅴ Часто задаваемые вопросы

Ⅰ Формула схемы усилителя с общим эмиттером

В качестве примера возьмем схему усилителя с общим эмиттером:

Рис. 1. Схема транзисторного усилителя с общим эмиттером

△ib
Таким образом, коллектор генерирует ток в β раз ib:
△ie=β△ib
=VCC-△ieRc=VCC-β△ibRc=VCC-△Vi·Rc/rbe
Таким образом, мы можем получить инвертированный усиленный сигнал напряжения за счет связи по переменному току и управления сопротивлением коллектора Re. Но обычно эмиттер будет иметь сопротивление для управления усилением, поэтому приведенная выше формула непрактична. При проектировании схемы в неэкстремальных ситуациях мы часто надеемся, что схема сможет работать с большинством транзисторов общего назначения, избегая параметра, который зависит от параметров компонентов, таких как rbe. В то же время очень громоздко учитывать ток базы в конкретном расчете. Поэтому в общем процессе проектирования в приближенном расчете игнорируется наличие тока базы (в некоторых схемах, хотя ток базы игнорируется, все же необходимо придать базе определенный ток привода, чтобы схема работала нормально ). Кроме того, расчет коэффициента усиления основан на сопротивлении внешней цепи, а не на rbe.
Среди них падение напряжения на лампе база-эмиттер VBE также является очень важным параметром, который обычно равен 0,6 В (кремниевая трубка). Все параметры транзисторной схемы можно получить в соответствии с VBE=0,6 В и законом Ома.
Громоздкая часть схемы транзистора заключается в настройке статической рабочей точки. Обычно небрежное проектирование приводит к отсечению и искажению формы выходного сигнала. Таким образом, выбранные значения некоторых экспериментальных значений могут быть использованы для справки. Общая идея конструкции такова: количественно определить напряжение и ток для расчета сопротивления.

 

Схема усилителя с общим эмиттером представляет собой типичный инвертирующий усилитель, который имеет широкий спектр применения и стабильные эффекты. Сначала покажите общие идеи дизайна, а затем пошагово объясните цель и принципы дизайна.

2.1 Этапы проектирования

1) Определите напряжение питания VCC и определите статический ток эмиттера IE в соответствии с частотной кривой/кривой шума/другими данными.
2) Определите VE, где выбирается 1~2 В для поглощения температурного дрейфа.
3) По VE и IE рассчитать статическое сопротивление эмиттера RE ( IE≈IC ).
4) Определите увеличение Av и примените соотношение Av=RC/RE для расчета статического сопротивления коллектора RC. На этом этапе статическая рабочая точка установлена.
5) Проверьте, соответствует ли статическая рабочая точка требованиям: предел качания положительного выхода=VCC-IE·RC , предел качания отрицательного выхода=IE·RC-VE . Необходимо следить за тем, чтобы усиливаемое выходное напряжение не превышало предел качания (обычно предел качания больше). Если RC слишком большой, будет отсечение вниз, как и при маленьком RC. Кроме того, определите, превышает ли мощность предел: PC=VCE·IC .
6) Определить базовое напряжение смещения следующим образом: Согласно VBE=0,6 В легко получить VB=VE+0,6 (разделить напряжение от источника питания через резистор). Поскольку ib считается малым и пренебрежимо малым, ток IB0, протекающий через базовые резисторы делителя напряжения (R1, R2 на приведенном выше рисунке), должен быть намного больше, чем ib. ib приблизительно рассчитывается как IC/β, а IB0 примерно на порядок больше, чем ib, поэтому R2=VB/IB0, R1=(VCC-VR2)/IB0 .
7) Наконец, определите значение конденсатора связи по переменному току и значение конденсатора развязки источника питания.
Давайте сначала воспользуемся разработанной схемой усилителя с общим эмиттером, чтобы интуитивно понять формы сигналов следующих частей:

Рисунок 2. Схема транзисторного усилителя с общим эмиттером Источник питания 15 В, а вход и выход соединены по переменному току. Выходные сигналы следующие: 

Рис. 3. 4-канальные волны сигнала

Бледно-голубая форма представляет собой входной сигнал, выбирая синусоиду 1 кГц, 1 Вразмах.
зеленый — это выходной сигнал, усиленный примерно в 5 раз, и он инвертирован.
Синий является базовым сигналом, что можно увидеть, потому что уровень постоянного тока повышен из-за влияния сопротивления смещения базы.
Красный — это сигнал эмиттера, который лишь на фиксированное значение отличается от базового сигнала.

 

2.2 Анализ цепи

Сначала выполните анализ постоянного тока, то есть определите статическую рабочую точку. В начальном процессе проектирования проектирование и проверка статических рабочих точек также выполняются в первую очередь. Статический потенциал базы можно легко рассчитать по сопротивлению смещения базы, а статический потенциал эмиттера можно определить по падению напряжения на лампе база-эмиттер как константе. Следовательно, по величине сопротивления эмиттера можно получить величину тока коллектор-эмиттер, а затем по напряжению источника питания можно получить статический потенциал коллектора.
Почему важна статическая рабочая точка? Возьмем в качестве примера NPN-транзистор , который эквивалентен двум встречно-параллельным диодам. Если требуется работа диода, вы должны дать ему правильное смещение, чтобы сделать его достаточно проводящим. В схеме диод база-коллектор предотвращает внутреннюю обратную связь, а диод база-эмиттер является ключом к достижению усиления. Другими словами, достаточно спроектировать внешнюю цепь так, чтобы ток в диоде база-эмиттер протекал нормально. Эта идея будет упомянута при анализе пропускной способности эмиттерного повторителя.
Найдите коэффициент усиления переменного напряжения. Когда входное напряжение изменяется △vi, ток эмиттера вызывает изменение переменного тока △т.е. Поскольку падение напряжения на базе-эмиттере является постоянным, оно не влияет на изменение переменного тока, поэтому △ie=vi/RE . Таким образом, выходное напряжение переменного тока эмиттера может быть определено как vo=△ieRC=vi·RC/RE , а коэффициент усиления по переменному току равен Av=RC/RE . Этот вывод позволяет быстро проанализировать увеличение схемы с общим эмиттером.
Выходные шины питания имеют значения VCC и VE соответственно, которые определяются текущими характеристиками транзистора во время работы, и, как правило, выходной сигнал от шины к шине отсутствует. Схема может быть использована в зависимости от выходной шины питания и коэффициента усиления переменного тока.
Если вход и выход не связаны по переменному току, вход (особенно по постоянному току) приведет к искажению формы выходного сигнала.

 

2.3 Схема с общим эмиттером

После понимания характеристик схемы можно спроектировать схему с общим эмиттером в соответствии с этапами проектирования, описанными в начале этого раздела. Статическая рабочая точка и увеличение были определены в ходе анализа, а остальные части разработаны ниже.
Напряжение питания : По колебанию выходного напряжения мы можем определить величину напряжения. Обычно напряжение источника питания больше выходного пикового значения.
Транзистор : Выберите соответствующий транзистор в соответствии с рабочей частотой, требуемой мощностью, уровнем шума и β и т. д.
Ток эмиттера : Определите величину тока эмиттера в соответствии с частотными характеристиками, обратившись к руководству устройства.
RC и RE : Определяются по напряжению и току эмиттера, а также по увеличению, обратите внимание на обзор верхнего и нижнего пределов размаха и номинальной мощности.
Сопротивление смещения базы : VB определяется в соответствии с VE, тем самым определяя сопротивление делителя напряжения источника питания. Обратите внимание, что ток, протекающий через резистор делителя напряжения, должен быть на один-два порядка больше, чем ток базы. Ток базы рассчитывается путем деления тока коллектор-эмиттер на β.
Конденсатор связи : Конденсатор связи по переменному току обычно имеет емкость 10 мкФ. Обратите внимание, что конденсатор связи выходного каскада и входное сопротивление следующего каскада образуют фильтр верхних частот. С частотой среза фильтра следует обращаться осторожно.

 

2.4 Рабочие параметры схемы

С помощью метода анализа переменного тока мы можем получить некоторые характерные параметры разработанной схемы, такие как входное и выходное сопротивление, увеличение и т.д.
Входной импеданс : Согласно анализу переменного тока, входной импеданс равен параллельному значению сопротивления смещения базы. При анализе слабых сигналов динамическое сопротивление базового эмиттера rbe также должно быть подключено параллельно.
Выходное сопротивление : Метод определения выходного сопротивления заключается в добавлении нагрузки в цепь. Когда размах выходного значения падает до половины значения без нагрузки, импеданс нагрузки является выходным значением. Как правило, выходное сопротивление схемы усилителя с общим эмиттером равно сопротивлению коллектора RC.
Увеличение : Из-за влияния тока базы фактическое увеличение примерно на 10% ниже проектного значения. Таким образом, формула дизайна более практична.

 

Ⅲ Расширение схемы усилителя с общим эмиттером

Усовершенствовав общую схему усилителя с общим эмиттером, можно получить различные прикладные схемы с другими характеристиками. В этом разделе представлены средства увеличения увеличения, схема низковольтного источника питания, схема дифференциального выхода и схема усилителя настройки.

3.1 Увеличение увеличения

В соответствии с введением в расчетную схему коэффициент усиления по напряжению в основном определяется отношением сопротивления коллектора RC к сопротивлению эмиттера RE. Поэтому обычно для изменения коэффициента усиления меняют отношение сопротивления. Однако возникает проблема: эти два резистора одновременно отвечают за определение рабочего тока. Поскольку рабочая точка постоянного тока изменяется произвольно, схема, вероятно, будет искажена или даже не будет работать.
С другой точки зрения, усиление напряжения относится к категории «Анализ переменного тока», а статическая рабочая точка относится к «Анализу постоянного тока». Поэтому добавьте в цепь несколько реактивных компонентов, чтобы изменить соотношение с точки зрения переменного тока, значение сопротивления при анализе постоянного тока не изменится.
Этого можно добиться, подключив эмиттерный резистор параллельно, либо сделав резистор параллельно конденсатору, то есть изменив схему в первой секции:

Рисунок 4. Схема усилителя с общим эмиттером

Обратите внимание на эмиттер на рисунке выше. При анализе переменного тока резистор R4 закорочен конденсатором. В это время эквивалентно считается, что резистор эмиттера только R7 (330 Ом). В это время сигнал от источника сигнала и осциллографа был усилен почти в 50 раз. Это намного больше, чем исходное расчетное значение ( 10k/2k=5 ), таким образом реализуя расширение коэффициента усиления по напряжению. Если исходное сопротивление эмиттера не разделить, а подключить весь конденсатор параллельно, то в это время будет получено максимальное усиление βRC/rbe.
Как выбрать значение емкости? Следует отметить, что после параллельного соединения конденсаторов вся схема будет иметь ВЧ характеристики, а частота среза составит f=1/2πRC . Если эта характеристика верхних частот не требуется, значение емкости C можно выбрать на большее значение в диапазоне от 47 мкФ до 100 мкФ.
Кроме того, конденсатор С6 имеет функцию температурной компенсации.

3.2 Цепь низкого напряжения и малых потерь

Если схема ОУ питается от сухой батарейки (1,5В), то не реально, а вот транзисторную схему сделать можно. Суть заключается в том, чтобы использовать падение напряжения проводимости внешнего диода для компенсации напряжения база-эмиттер и иметь малое значение. Схема на рисунке ниже может усиливать слабые сигналы даже при напряжении питания 1,5 В:

Рисунок 5. Схема усилителя с общим эмиттером

Но недостатком является то, что максимальное напряжение системы всегда ниже напряжения питания Напряжение. Из-за небольших потерь в цепи он подходит для низкого энергопотребления.

3.3 Дифференциальная выходная цепь

Полностью дифференциальные операционные усилители могут обеспечить двухрежимный выход, и многие линии передачи также требуют дифференциальной передачи. Транзисторные схемы также могут выполнять дифференциальный выход. Помимо принципа схемы усилителя с общим эмиттером, используется также принцип эмиттерного повторителя. На следующем рисунке показано подключение схемы дифференциального выхода.

Рис. 6. Схема усилителя с общим эмиттером

Видно, что выводятся два дифференциальных сигнала с одинаковой формой и противоположной фазой. Сигнал коллектора находится в фазе с входным сигналом, а выходной сигнал эмиттера находится в фазе с входным сигналом. Однако выходной импеданс двух сигналов отличается из-за разных положений выводов. Выходное сопротивление инвертированного выхода выше (RC), а выходное сопротивление неинвертированного выхода ниже, что подходит для управления нагрузкой. Инвертированный выход обычно подключается к эмиттерному повторителю перед запуском.
Кроме того, статический потенциал базы должен быть максимально установлен между VCC и GND, чтобы расширить неискаженный выходной диапазон.

 

3.4 Схема фильтра и подстроечного усилителя

Введение реактивных компонентов в схему приведет к изменению свойств схемы в зависимости от частоты. Мы можем использовать это свойство для разработки LPF, HPF и настраивающего усилителя, обычно используемого в высокочастотных схемах. На самом деле, он использует характеристику, состоящую в том, что импеданс элемента реактивного сопротивления изменяется с частотой, а затем изменяет коэффициент усиления по напряжению на текущей частоте. Импеданс на резонансной частоте часто является чисто резистивным и имеет экстремальное значение для достижения частотно-селективного усиления. Ниже показаны усилители нижних частот, верхних частот и частотно-селективные усилители на определенных частотах:
① ФНЧ

Рис. 7. Схема усилителя с общим эмиттером

Как показано на рисунке, устроен фильтр нижних частот (вход тестера Боде размещен в основании вместо выхода генератора сигналов, поскольку входной разделительный конденсатор вместе с входным резистором образует фильтр верхних частот, что влияет на эффект наблюдения), а его частота среза составляет около 1,06 кГц, рассчитанная по формуле f=1/2πRcC . 92) . С увеличением частоты импеданс уменьшается, поэтому коэффициент усиления по напряжению уменьшается, формируя низкочастотную характеристику.
② HPF

Рис. 8. Схема усилителя с общим эмиттером

Как показано на рисунке, сконструирован фильтр верхних частот , и расчет его частоты среза аналогичен расчету LPF. .
В точке пика усиления усиление по напряжению достигает 50 дБ, что близко к значению β транзистора. Затем усиление ослабевает из-за ухудшения частотной характеристики транзистора.
③ 10,7 МГц

Рис. 9. Схема усилителя с общим эмиттером

Заменив RC на LC-цепь с резонансной частотой 10,7 МГц, можно получить частотно-избирательный усилитель. Как показано на рисунке, коэффициент усиления составляет 35 дБ при частоте 10,7 МГц, в то время как коэффициент усиления при отстройке 1 МГц составляет всего 12,6 дБ. Недостатком является то, что полоса пропускания немного шире, прямоугольный коэффициент недостаточно хорош, а эквивалентная добротность контура составляет около 65,2, что относительно велико. Кроме того, высокочастотный развязывающий конденсатор был заменен на 1 мкФ.

Пример схемы резонансного усилителя

Извлекая уроки из того факта, что усиление усилителя можно легко определить по соотношению двух резисторов, а коэффициент усиления усилителя с общим эмиттером также можно аппроксимировать отношением двух резисторов.

 

Ⅴ Часто задаваемые вопросы

1. Для чего используются транзисторные усилители?
Усилители d созданы на основе транзисторов , поскольку они способны работать в трех областях: активной, отсечки и насыщения. В целях усиления основное внимание будет уделяться активной области. Основная цель этих усилителей — повысить мощность подаваемого входного сигнала без его изменения.

2. Как транзистор усиливает ток?
Транзисторы обычно используются в качестве усилителей. … Небольшой ток проходит от источника напряжения в базу транзистора. Ток на базе открывает транзистор. Затем ток усиливается и проходит от эмиттера транзистора к коллектору.

3. Что такое усилитель на транзисторах с общим эмиттером?
Усилитель с общим эмиттером представляет собой трехосновной однокаскадный биполярный транзистор и используется в качестве усилителя напряжения. Вход этого усилителя берется с базовой клеммы, выходной сигнал собирается с коллекторной клеммы, а эмиттерная клемма является общей для обеих клемм.

4. Почему в усилителе используется общий эмиттер?
Конфигурация с общим эмиттером (CE). … Транзисторы с общим эмиттером используются наиболее широко , потому что усилитель на транзисторах с общим эмиттером обеспечивает высокий коэффициент усиления по току, высокий коэффициент усиления по напряжению и высокий коэффициент усиления по мощности. Этот тип транзистора дает небольшое изменение на входе, небольшое изменение на выходе.

5. Для чего нужен усилитель CE?
В электронике усилитель с общим эмиттером — это одна из трех основных топологий однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе (BJT) , обычно используемого в качестве усилителя напряжения. Он обеспечивает высокий коэффициент усиления по току (обычно 200), среднее входное сопротивление и высокое выходное сопротивление.

6. Как работает транзистор в качестве усилителя?
Транзистор действует как усилитель , повышая мощность слабого сигнала. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к эмиттерному базовому переходу, заставляет его оставаться в состоянии прямого смещения. … Таким образом, небольшое входное напряжение приводит к большому выходному напряжению, что показывает, что транзистор работает как усилитель.

7. Что такое схема усилителя с общим эмиттером?
Схема усилителя с общим эмиттером имеет резистор в цепи коллектора . Ток, протекающий через этот резистор, создает выходное напряжение усилителя. … База транзистора, используемого в усилителе с общим эмиттером, смещена с помощью двух резисторов в качестве сети делителя потенциала.

8. Из каких основных частей состоит схема транзисторного усилителя?
A Однокаскадный транзисторный усилитель имеет один транзистор , цепь смещения и другие вспомогательные компоненты . На следующей принципиальной схеме показано, как выглядит однокаскадный транзисторный усилитель. Когда на базу транзистора подается слабый входной сигнал, как показано на рисунке, протекает небольшой ток базы.

9. Какова разность фаз в усилителе с общим эмиттером?
Разность фаз между входным и выходным напряжением схемы усилителя CE составляет. Разность фаз 1800 между напряжением сигнала и выходным напряжением в усилителе с общим эмиттером известна как реверс фаз .

10. Когда транзистор NPN используется в качестве усилителя?
Чтобы npn-транзистор можно было использовать в качестве усилителя, к транзистору должно быть приложено прямое смещение . Таким образом, когда в качестве усилителя используется npn-транзистор, дырки перемещаются от базы к эмиттеру. Итак, правильный ответ — вариант D, т.е. дырки движутся от базы к эмиттеру.

11. Когда транзистор с NPN-переходом используется в качестве усилителя в режиме CE?
Транзистор используется в режиме с общим эмиттером в качестве усилителя, тогда: (A) переход база-эмиттер равен с наклоном вперед . (B) переход база-эмиттер имеет обратное смещение . (C) входной сигнал соединен последовательно с напряжением, приложенным для смещения перехода база-эмиттер.

12. Как NPN-транзистор используется в качестве усилителя, показанного на его принципиальной схеме?
Схема усилителя с общим эмиттером на транзисторе n-p-n показана ниже: В схеме усилителя с общим эмиттером напряжение входного сигнала и напряжение выходного коллектора противофазны. то есть 180° не по фазе . Таким образом, разность фаз между входным сигналом и выходным напряжением составляет 180°.

13. Как работает усилитель с общим эмиттером?
Работа усилителя с общим эмиттером
Когда сигнал подается на переход эмиттер-база, прямое смещение на этом переходе увеличивается на в течение верхнего полупериода. Это приводит к увеличению потока электронов от эмиттера к коллектору через базу, следовательно, увеличивается ток коллектора.