Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

Чайковский филиал

Федерального государственного бюджетного

Образовательного учреждения высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

(ЧФ ПНИПУ)

 

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине: «Преобразовательные устройства»

на тему:

«Расчет параметров усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером»

 

Выполнил

Студент гр. АТПП-14-1 боз. Радостев Е.Р.

 

Принял

Доцент. Ковязин А.В.

 

 

2018г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Теоретическая часть

Задание

Расчет параметров усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером

Вывод

Список литературы

Приложение 1

 

 

Введение

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

 

 

Теоретическая часть

Общие понятия

Усилителяминазываются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигналуправляет передачей значительно большей мощности из источника питанияв нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов — усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.

Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные или двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными. По традиции их называют усилителями постоянного тока(УПТ), хотятакое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную, но и переменную составляющую {приращения сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ нельзя связывать источник и приемник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают постоянной составляющий сигнала. Это условие вызывает некоторые трудности при создании УПТ, с которыми мы познакомимся ниже, но оно же обусловило еще большее распространение УПТ с появлением микроэлектроники: УПТ не содержат элементов, выполнение которых в составе ИМС невозможно (трансформаторы и конденсаторы большой емкости).

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

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

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

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

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

Для того чтобы рассмотреть принцип действия простейшего усилительного каскада, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), рассмотрим схему с транзистором n-р-n –типа, представленную на рис. 1.

биполярный транзистор усилительный резистор

Рис. 1. Простейшая схема включения транзистора с ОЭ.

 

Источник напряжения Е_к>>U_кэн, где U_кэн - обозначено на выходной характеристике транзистора (рис. 2.), связан с коллекторным электродом транзистора через сопротивление нагрузки R_к. Входной сигнал подается на базу транзистора (напряжение и_бэи ток i_б). Построим зависимость U_кэ f(U_бэ)>называемую передаточной характеристикой каскада.

Рис. 2. Выходные характеристикибиполярного транзистора с ОЭ.

 

При увеличении напряжения и_бэрастет ток i_Б(см. входную характеристику транзистора рис. 3 при и_кэ≥ U_кэн), растет и ток коллектора: i_K=(β+1)I_КБ0 +β i_б..

 

Рис. 3. Входные характеристики биполярного транзистора с ОЭ.

 

В результате увеличивается падение напряжения на резисторе R_к, уменьшается напряжение и_кэ = Е_к - i_кR(рис. 4). При достижении напряжения и_кэ= U_кэн дальнейшее увеличение и_бэне вызывает изменений напряжения и_кэитока i_к,протекающего через резистор R_к. В этом режиме к R_к приложено напряжение Е_к- U_кэн , и поэтому ток коллектора i_к = I_кн =(Е_к- U_кэн)/R_к .

Рассмотрение передаточной характеристики каскада показывает, что при изменении напряжения и_бэили тока i_Бв цепи маломощного источника сигнала можно изменить ток i_кинапряжение и_кэв цепи более мощного источника Е_к. Однако коллекторное напряжение можно изменять лишь в пределах U_кэн ≤ и_кэ ≤ Ек,а ток — в пределах I_КБо ≤ i_кэ ≤ (Ек - U_кэн)/R_к(участок 11 на передаточной характеристике). При отрицательных и_бэи на участке 1 через транзистор протекает только малый неуправляемый ток коллекторного перехода, а на участке 111 и_кэ = U_кэн и транзистор теряет свойства усилительного элемента. Еще один вывод,который можно сделать из анализа передаточной характеристики рассмотренного усилительного каскада: при увеличении и_бэ (участок II) и_кэуменьшается. Усилитель, в котором приращение выходного сигнала противоположно по знаку приращению входного сигнала, называется инвертирующим.

Передаточная характеристика каскада позволяет нам рассмотреть различные способы работы каскада, называемые классами усиления.

На рис. 4 показаны произвольный двухполярный входной сигнал u_вх(t) иформа кривой напряжения на коллекторе и_кэ (t) в различных режимах (классах усиления). При работе в классе усиления Ви_бэ = и_вх.Нелинейность передаточной характеристики каскада приводит к тому, что в классе В на выход передается сигнал только одной полярности: и_вх> 0. Класс В в рассмотренном простейшем каскаде можно использовать только для передачи не столь часто встречающихся однополярных сигналов. При передаче двухполярного напряжения форма его искажается, часть информации безвозвратно теряется.

 

Рис. 4. Передаточная характеристика транзисторного каскада с ОЭ

При работе в классе усиления Ана вход усилителя одновременно со входным сигналом u_BX(t) подается также постоянное напряжение смещения, так что и_бэ= и_вх+ U_см(см. временные диаграммы сигналов на рис. 4). Благодаря смещению в кривой напряженияи_бэ(t) входной сигнал воспроизводится полностью, практически без искажений формы, так как значения и_бэпостоянно соответствуют участку 11 передаточной характеристики. Режим работы усилителя, когда включены источники питания и подано смещение, но и_вх= 0, называется режимом покоя. В этом режимеи_бэ= U_бэп и i_б= I_бп, а и_кэ= U_кэп. При приложении отрицательного (или положительного) напряжения и_вхуменьшатся (или соответственно увеличатся) токи i_би i_к и падение напряжения на Rк, в результате увеличится (уменьшится) напряжение

 

и_кэ= U_кэп+ Δ U_кэ

 

где Δ U_кэ = и_вых — полезныйэффектусиления.

При работе в ключевом режиме(режим большого сигнала) изменение входного напряжения захватывает участки 1 - 111 передаточной характеристики (см. временные диаграммы на рис. 4). Форма передаваемого сигнала искажается (ограничивается его амплитуда). Подобный режим работы каскада находит широкое применение в импульсной технике при передаче импульсов прямоугольной формы, где ограничение амплитуды импульсов несущественно.

Выбор класса усиления и выбор режима покоя определяет не только форму передаваемого сигнала, но и мощность потерь, вызывающую нагрев транзистора:

 

 

 

На диаграммах рис. пунктиром изображена зависимость мощности Р_кв режиме покоя от напряжения смещения U_бэпЭта зависимость показывает, что выбор U_бэп в середине участка 11 передаточной характеристики каскада соответствует максимальным потерям мощности в транзисторе.

 

Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

 

Выделение режима покоя при анализе электронных схем является одним из типовых приемов схемотехнической электроники. Продолжим рассмотрение каскада с ОЭ в наиболее распространенном классе усиления — классе А.

Схема каскада приведена на рис. 5; вначале будем рассматривать упрощенный вариант каскада при R_Э= 0. Схема содержит знакомые нам компоненты: усилительный элемент— транзистор, источник питания Е_к. сопротивление коллекторной нагрузки R_к. На схеме появилось сопротивление коллекторной нагрузки R_Htк которому приложено напряжение и_вых, а входная цепь условно представлена в виде последовательного включения двух источников напряжения и_вхи U_см.

На рис. 6 представлены временные диаграммы напряжений и токов в каскаде с ОЭ. При и_вх= 0 в режиме покоя через транзистор протекают постоянные токи I_Бп, I_Кп, I_Эп и к базе и коллектору транзистора приложены постоянные напряжения U_БЭп и U_БЭп≠ 0.

 

 

Рис. 5. Каскад с ОЭ

 

Рис. 6.Временные диаграммы токов и напряжений в каскаде с ОЭ

 

Для того чтобы в режиме покоя U_вых = 0, в цепь нагрузки R_Ннеобходимо ввести источник постоянного компенсирующего напряжения U_{ком п} = U_КЭп. При приложении входного напряжения токи и напряжения в транзисторе получают приращения U_БЭ= и_вх, ΔI_к,ΔI_Э, ΔU_КЭ =U_вых, которые показаны на рис. 6 для входного сигнала произвольной формы. Мгновенные значения токов и напряжений в транзисторе могут быть найдены с помощью графического метода, который является одним из эффективных средств анализа нелинейных цепей.

В схеме рис. 5 имеется лишь один нелинейный элемент— транзистор; связь токов и напряжений в транзисторе представлена его ВАХ (см. рис. 1), в частности его выходными характеристиками

 

I_к = f(и_кэ)при I_Б = const(1)

При графическом анализе линейная часть схемы описывается уравнением в тех же координатах(i_к,и_кэ).

Рассмотрим режимпокоя. Допустим, что в цепь нагрузки включенисточниккомпенсирующегонапряжения U_комп = U_{КЭ п}.Тогда в режиме покояток в нагрузочную цепь (R_н, U_комп) не ответвляется и уравнение линейной части схемы записывается в виде

i_к = (Е_к - и_кэп)/R_к(2)

 

Решаем систему уравнений (1), (2) графически, для этого через семейство выходных характеристик транзистора (рис. 7) проводим линию нагрузки по постоянному току, описываемую (2). Из (2) находим, что при i_к = 0, и_кэ = Е_ки при i_к = Е_к/R_к. Через две найденные точки проводим прямую линию. Зададим ток базы в режиме покоя I_Бп, тогда пересечение линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при i_Б =I_Бпбудет соответствовать решению системы уравнений (1), (2)—точке покоя 0 (U_{КЭ п}, I_Кп).

В общем случае условие U_комп = U_КЭп не выполняется и ток коллектора ответвляется в цепь R_н. Заменим в этом случае линейную часть схемы (Е_к, R_к, U_комп, R_н) эквивалентными сопротивлениями и ЭДС U_экв, R_экв, найденными согласно теореме об эквивалентном генераторе. Можно убедиться, что R_экв= R_КR_Н/(R_К + R_Н), aE_ЭKB=[ R_КR_Н /(R_К + R_Н)](U_комп/R_н + E_K/R_к). Эти значения Е_экв, R_экв подставим вместо R_Kи Е_к в (2) и построим по этому уравнению линию нагрузки по постоянному току.

 

 

Рис. 7. Графический расчет каскада с ОЭ:

 

Графический анализ каскада при наличии входного сигналапроизводится аналогично. Рассмотрим контур прохождения тока ΔI_к через линейную часть схемы. Этот ток может пройти через R_Kи Е_К, а также через U_компи R_н. Поскольку сопротивление источников постоянного напряжения для приращений тока (т. е. их сопротивление для переменной составляющей тока) равно нулю, уравнение линейной части схемы имеет вид

 

ΔI_к = ΔU_кэ(R_K + R_Н)/(R_KR_Н) (3)

 

Решаем совместно (1) и (3). Для этого через семейство выходных характеристик транзистора (рис. 7) проводим через точку покоя линию нагрузки по переменному току АОВв соответствии с выражением (3). Поскольку R_K> (R_K + R_Н)/(R_KR_Н), прямая АОВ идет круче линии нагрузки по постоянному току.

При увеличении i_брабочая точка каскада (и_кэ, i_к) перемещается вверх по прямой ОА, ток i_крастет, и_кЭпадает. При уменьшении тока базы рабочая точка перемещается по прямой ОВ, ток i_кпадает, и_кэрастет. Прямая АОВ — это траектория рабочей точкикаскада

Графический анализ позволяет учесть нелинейность характеристик транзистора, дает возможность рассматривать действие любых сигналов в любом классе усиления. Недостатком его являются громоздкость и невозможность выбора параметров элементов каскада по заданным требованиям. Главное достоинство графического анализа — наглядное представление о работе каскада как о схеме с нелинейным элементом.