Пример расчета усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером. Схема замещения Эберса-Молла
Определение и характеристика статического коэффициента усиления транзистора (передачи по току). Расчет падения напряжения на резисторах. Исследование зависимости изменения выходного параметра, то есть тока коллектора от изменения входного параметра.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 20.03.2024 |
Размер файла | 4,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Пример расчета усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером. Схема замещения Эберса-Молла
Универ на диване
Вспоминая свою учебу на бакалавриате не могу не вспомнить и некоторые нелепые случаи, которые происходили на первом семестре первого курса моего обучения. Например, я отчетливо помню свое недоумение и негодование моих одногруппников в тот момент, когда преподаватель электротехники на первом же практическом занятии выдал нам задание: выполнить расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе. «Круто», подумали мы, не вполне понимая что от нас хотят. Но поразбиравшись день - другой было установлено, что хотели от нас следующего: взять транзистор из списка (по варианту), найти на него справочные данные и потанцевать с бубном произвести расчет. Давайте пойдем по порядку: возьмем транзистор, который найдем в Микрокапе (программа симуляции эл. цепей) и построим на его базе (звучит конечно двусмысленно, но тем не менее) схемы трех усилителей: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК). Так как это немаленький объем, в этой статье разберемся с общим эмиттером. Ну чтож, вперед - открываем Микрокап.
Рисунок 1 - Открываем Микрокап
Руководствуясь логикой нажимаем на виртуальную кнопку с изображением биполярного транзистора.
Рисунок 2 - В рабочем поле программы курсор в виде транзистора
Выберем транзистор КТ315Б:
Рисунок 3 - Выбираем транзистор КТ315Б
А теперь поясняю почему и для чего выбрана именно эта программа. Микрокап мы используем потому что здесь есть компоненты отечественного производства (можно использовать и другую программу, где они тоже присутствуют). Это во-первых. Во-вторых лучше использовать компоненты, на которые есть даташиты и притом хорошие. Первым делом ознакомимся со схемами, для которых нужно провести расчет.
Рисунок 4 - Схемы усилителей на БТ, слева направо: ОЭ, ОБ, ОК
Во всех схемах можно выделить «каркас»: транзистор (VT1), делитель напряжения в базовой цепи (R1 и R2), а также Rк и Rэ. К этому каркасу добавляются ёмкости. Узел, в который включается конденсатор выбирается в соответствии схеме включения транзистора. Первая (крайняя слева) схема: переменный ток утекает в землю через конденсатор С2, то есть эмиттер транзистора VT1 подключен к общей шине. Поэтому каскад и называется «с общим эмиттером». Во второй схеме на земле «сидит» база транзистора, в третьей - коллектор. Делитель напряжения в этих схемах задает начальное положение рабочей точки на ВАХ транзистора. Страшные непонятные слова для тех, кто услышал их в первый раз. Постепенно разберемся с этим.
Теперь заглянем в справочник и найдем характеристики нашего транзистора:
Рисунок 5 - Параметры КТ315Б
На первых порах нам нужны только эти значения.
Возьмем первую схему и выполним расчет номиналов ее компонентов. Первым делом определим статический коэффициент усиления транзистора (статический коэффициент передачи по току). У нас дан диапазон допустимых его значений, давайте примем его равным среднегеометрическому значению:
Теперь нам нужно задать ток коллектора. Проще всего будет применить то значение, которое рекомендует производитель. То есть в нашем случае Iк=1мА.
Ток коллектора в бета раз больше, чем ток базы, поэтому для того, чтобы определить ток базы нужно разделить Iк на бета:
Что мы можем найти зная это значение? На первый взгляд ничего. Но давайте вспомним, как связаны между собой ток делителя и ответвляемый ток. Всё очень просто: Iдел>>Iотв. Здесь Iотв - это ток базы. И сколько же значит это много больше? Сто? Тысяча? Миллион? Нет. Главное, чтобы это значение было больше двух (однажды расскажу почему). Обычно принимается коэффициент равный 10. То есть:
Пусть наша схема питается от 12 Вольт. Тогда получается, что общее падение напряжения на делителе составит также 12 В (Второй закон Кирхгофа). Примем падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора равным 0,6 В (транзистор кремниевый).
Рисунок 6 - То, что имеем на данный момент
И снова обращаемся ко Второму закону Кирхгофа: рассмотрим участок R2 - БЭ - R4. Под БЭ я обозначил переход база-эмиттер транзистора.
И теперь найти значение сопротивлений этих резисторов было бы проще простого, если бы мы знали хотя бы одно из падений напряжений на них. Как ни странно, но мы это знаем. Для того, чтобы обеспечить термостабильность в работе усилителя необходимо, чтобы:
А теперь магия: нам нужно, чтобы при заданных параметрах усиленный сигнал «был красивым», то есть чтобы он не был обрезан. Как такого добиться? Просто: пусть в статическом режиме падение напряжения на коллектор-эмиттерном переходе будет равно половине от возможного, а под возможным можно понимать только «остатки» от напряжения питания, то есть:
Рисунок 7 - Токи и напряжения в цепи
Каркас почти что рассчитан. Находим значения сопротивлений:
Обращаемся к ряду стандартных значений Е24:
Рисунок 8 - Ряд Е24
Ближайшим значением к рассчитанному является 110 кОм. Дальше я буду писать значение, выбранное из ряда сразу в расчете через приближенное равно.
Отобразим в Микрокапе. Построим схему «каркаса» и выполним динамический анализ по постоянному току:
Рисунок 8 - Схема в Микрокап
Как видим, из-за того, что мы взяли приближенные значения, токи и потенциалы в нашей схеме «поплыли». Посмотрим, что будет дальше.
Выполним расчет по переменному току (то есть теперь задействуются и емкости). Пусть у нас в цепь включена нагрузка с сопротивлением (Rн) 1 кОм, Источник сигнала обладает сопротивлением (Rг) 50 Ом, амплитуда сигнала составляет (Eг) 5 мВ. Итого имеем:
Рисунок 9 - Схема в Микрокап
Из этого рисунка мы видим, что нам осталось найти номиналы конденсаторов. Для того, чтобы это сделать, нам нужно «заглянуть внутрь» транзистора. Молотком мы его крошить не будем конечно же (пока что). Обратимся к схемам замещения. Самая простая из них - два диода, включенные анодами друг к другу (для npn транзисторов), либо катодами (для pnp):
Рисунок 10 - Схема замещения транзистора
Однако данные схемы не отражают большинства свойств транзистора, например усиления сигнала. На них можно отразить только некоторые параметры, такие как падение напряжения коллектор-база и падение напряжения на участке база-эмиттер. Давайте отобразим их на рисунке, а также посмотрим какие токи могут здесь протекать:
Рисунок 11 - Отображаем параметры на схемах
Отобразив токи таким образом мы ведь ничего не нарушили? При условии, что диоды будут пропускать сигнал только в одну сторону, мы и получаем, что этот самый сигнал попросту разделится на две составляющие. Но в таком случае мы не усиленный сигнал получим, а напротив, ослабленный. Как исправить схемы таким образом, чтобы они отображали усиление? Давайте добавим управляемые источники тока.
Рисунок 12 - Модернизируем схемы замещения
Проанализируем полученные схемы. Предположим, что на переходе база-эмиттер возникает некоторое падение напряжения, то есть диод база-эмиттер открывается и начинает пропускать ток. Для npn транзистора (схема слева) всё просто: ток источника I1 будет протекать через этот диод. При этом величина этого тока будет определяться уровнем напряжения на база-эмиттерном переходе. Если установить некоторую закономерность изменения токов на электродах транзистора от значения падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, то можно будет добиться того, что это изменение станет возможно спрогнозировать. Кто же нам мешает это сделать? Верно, никто не мешает. Только давайте сначала «уберем лишнее» из схемы. Если эмиттер транзистора будет подключен к общей шине, на базу подадим ток, а к коллектору подведем питающее напряжение и при этом если потенциал коллектора будет больше потенциала базы, то диод база - коллектор окажется закрыт и ток I2 не сможет течь через него. Однако не забываем про обратный ток через диод. Он будет присутствовать при описанных условиях. То есть мы смело можем заменить диод база-коллектор некоторым управляемым источником тока коллектор-база.
Рисунок 13 - Упрощаем схему для npn транзистора
Уже сейчас видно некоторую зависимость параметров, например:
Однако, даже при проведенных упрощениях мы не можем выполнять вычисления: оперировать нечем. Направление протекания тока мы выяснили, поэтому не так уж и важно сохранять в схеме сам диод база-эмиттер, мы вполне можем обойтись его дифференциальным сопротивлением. Источник Iобр мы также можем заменить дифференциальным сопротивлением перехода коллектор-база. Также учтем то, что база транзистора также имеет собственное сопротивление. В результате получим следующее:
Рисунок 14 - Выполняем замену
Ну а теперь самое главное:
Вот она: закономерность изменения параметров.
Теперь, заглянув внутрь транзистора, мы можем продолжить расчет схемы усилителя на биполярном транзисторе со схемой включения с ОЭ. На рисунке 14 мы видим, что совокупность сопротивлений базы и эмиттера - не что иное, как входное сопротивление транзистора (но не каскада!!!). Возвращаемся к рисунку 9 (дублирую):
Рисунок 15 - Схема в Микрокап
Здесь мы будем рассматривать сопротивление перехода база-эмиттер. Его приближенное значение можно найти, зная ток коллектора транзистора. Возникает вопрос: какое же напряжение нам нужно использовать для вычисления значения дифференциального сопротивления база-эмиттерного перехода? Тепловой потенциал, то есть 25,5 мВ, то есть:
Повторяю: это входное дифференциальное сопротивление ТРАНЗИСТОРА. Для определения величины С1 нам нужно найти входное сопротивление КАСКАДА. Находим. Последовательно база-эмиттерному переходу включен резистор R4. Параллельно им включены резисторы R1 и R2. А теперь упраздняем из этого списка R4, так как он зашунтирован конденсатором С2, поэтому:
Предположим, что верхняя частота в спектре усиливаемого сигнала составляет 1 кГц. Емкость конденсатора С1 можно найти по формуле:
Отлично! Номиналы всех компонентов найдены. Теперь поясню смысл формул для поиска емкостей конденсаторов. Записываем формулу сопротивления конденсатора:
А теперь установим условие, чтобы сопротивление конденсатора на частоте f было в 8...10 раз больше, чем некоторое сопротивление R, то есть:
Выражаем отсюда емкость:
Найдем теперь сквозной коэффициент передачи каскада по напряжению. Для этого нужно знать ни много, ни мало, а крутизну нагрузочной характеристики и напряжение Эрли транзистора. Вот и паника начинается. Откуда нам взять эти значения? Они у нас уже есть. Крутизна нагрузочной характеристики - зависимость изменения выходного параметра, то есть тока коллектора от изменения входного параметра, то есть потенциала. Что-то подобное мы уже считали. Верно: крутизна обратно пропорциональна входному дифференциальному сопротивлению транзистора:
В поиске напряжения Эрли нам поможет семейство выходных характеристик транзистора. Заглянем в справочник.
Рисунок 16 - Семейство выходных ВАХ
Очень полезная» информация. Мой сарказм понятен: нам нужно построить касательную к кривой с нашим током базы и провести её в отрицательную часть графика, там, на пересечении с нулём мы и получим значение напряжения Эрли. Так что у нас два выхода: берем линейку и на глазок строим касательную к воображаемой кривой, либо предоставим Микрокапу эту привилегию. транзистор ток коллектор
Рисунок 17 - Семейство ВАХ в Микрокап
Как мы это сделали: скопировали наш транзистор в свободное поле программы, добавили источник тока в базовую цепь и через перемычку к коллектору подключили источник постоянного напряжения.
Рисунок 18 - Схема для построения семейства выходных характеристик
Далее выполняем анализ по постоянному току (DC Analysis). При этом заполняем поля окна Limitsтаким образом, чтобы разметка по иксу (падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора) была удобна для восприятия, а по игреку откладываем ток базы с шагом, пропорциональным заданному при расчетах току базы:
Рисунок 19 - Настройки DC Analysis Limits
Теперь уменьшим масштаб графика и построим касательную:
Рисунок 20 - Строим касательную
Отсюда получаем, что Uy=-141.25 В.
Напряжение Эрли мы искали, чтобы определить дифференциальное сопротивление коллектор-эмиттерного перехода:
Теперь мы можем найти коэффициент усиления каскада по напряжению (пока что просто считаем, в следующей статье расскажу почему именно так):
Всё бы ничего, но у нас в каскаде есть ещё и делитель, образованный делителем напряжения в базовой цепи и сопротивлением источника. Давайте посмотрим какой у него коэффициент передачи:
Ну и общий коэффициент передачи можно получить перемножением этих двух коэффициентов. Можно не задумываясь сказать, что он будет приблизительно равен 32.
Может ли студент, не зная о транзисторах совсем ничего выполнить подобный расчет? Думаю да, но для этого ему понадобится помощь и очень много времени, чтобы во всём разобраться. На этом, пожалуй сегодняшнюю статью я завершу. Надеюсь она будет Вам не только полезна, но и покажется интересной. Спасибо, что читаете! Удачи в учебе и труде!
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Анализ существующих схемных решений, однокаскадный усилитель на транзисторе с общим эмиттером. Расчет схемы усилителя низких частот, расчет выходного каскада. Схема усилителя с общим коллектором и Коллекторная стабилизация, эммитерный повторитель.
курсовая работа [49,9 K], добавлен 11.11.2009Методика расчета усилителей переменного тока. Особенности выбора схемы выходного каскада усилителя. Порядок определения параметров и режимов работы выходного, фазоинверсного и входного каскадов, оценка их полезного действия для максимального сигнала.
курсовая работа [565,4 K], добавлен 12.07.2010Анализ влияния микроструктуры графита на свойства чугунов. Графит и механические свойства отливок. Расчет зависимости параметра формы от минимального размера учитываемых включений. Гистограмма распределения параметра формы по количеству включений.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 08.02.2013Расчет фазного напряжения, фазного тока и активной мощности цепи. Построение векторных диаграммы напряжений и токов. Определение коэффициента полезного действия трансформатора. Схема двухпериодного выпрямителя. Устройство полупроводникового транзистора.
контрольная работа [919,9 K], добавлен 30.09.2013Определение требуемого диапазона изменения напряжения на двигателе и передаточной функции разомкнутого электропривода. Расчет эквивалентной мощности электродвигателя, коэффициента передачи, конструктивных постоянных, момента сопротивления элементов.
контрольная работа [495,8 K], добавлен 07.05.2012Эквивалентные схемы замещения транзисторов, их значение и условия применения. Эквивалентная схема для включения транзистора по схеме общий эмиттер: расчет основных параметров и допущений. Транзистор как линейный четырехполюсник, его использование.
презентация [16,7 K], добавлен 20.07.2013Рассчет параметров П-образной эквивалентной схемы транзистора включенного по схеме с ОЭ для НЧ и ВЧ. Зависимость максимальной частоты от напряжения коллектор-эмиттер. Описание технология изготовления дрейфового транзистора, структура n-p-n-перехода.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 01.03.2009Опис основних елементів та структурна схема САК заданого технологічного параметра. Розрахунок вихідного сигналу та графік його статичної характеристики в заданому діапазоні зміни технологічного параметра. Розрахунок сумарних похибок вимірювання.
курсовая работа [227,0 K], добавлен 23.12.2013Определение допустимого напора на одно рабочее колесо насоса; коэффициента быстроходности, входного и выходного диаметра рабочего колеса. Расчет гидравлического, объемного, внутреннего и внешнего механического КПД насоса и мощности, потребляемой им.
контрольная работа [136,5 K], добавлен 21.05.2015Теоретический анализ течения металла при осадке. Расчет размеров параллелепипеда после осадки, с помощью метода последовательных приближений для выбора пресса. Определение варьируемого параметра по графику зависимости, длины и ширины параллелепипеда.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 16.04.2011Выбор материала колес и допускаемых напряжений. Расчет червячной передачи, определение межосевого расстояния и модуля зацепления. Проверка на выносливость выходного вала. Подбор подшипников. Условие прочности шпонок на смятие и срез. Смазка редуктора.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 21.10.2012Автоматизированные анализаторы изображений. Кристаллическая решетка графита, его применение, свойства. Исследование зависимости параметра формы (вытянутость и диаметр) от размера графитовых включений. Построение графиков и выявление зависимостей.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 16.02.2015Принципиальная схема замкнутой системы электропривода и составление ее математического описания. Уравнения во временной области и их операторные преобразования. Определение необходимого коэффициента передачи в установившемся режиме и динамика системы.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 12.07.2012Определение передаточных функций звеньев. Логарифмические характеристики и проверка на устойчивость. Расчет зависимости угловой скорости от задающего напряжения и момента сопротивления в статическом режиме работы. Переходные процессы изменения скорости.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 24.10.2015Методы и средства измерения технологического параметра. Задачи современной весоизмерительной техники. Стабилизация подачи руды в мельницу; регулирование за счет изменения мощности двигателя, с помощью которого регулируется скорость конвейерной ленты.
курсовая работа [4,5 M], добавлен 28.12.2011Анализ технического задания на систему, ее статический расчет. Выбор двигателя и редуктора, усилительного устройства. Определение коэффициента передачи разомкнутой системы, передаточных функций, построение логарифмических характеристик, выбор схемы.
курсовая работа [499,7 K], добавлен 16.11.2009Оптимизационный расчет параметров стрелового устройства на ЭВМ. Определение стрелового момента. Расчет нагрузок, вызванных отклонением канатов от вертикали. Суммарные нагрузки на стреловое устройство. Проектировочный расчет механизма изменения вылета.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 03.12.2012Расчет опоры, выбор ее геометрии, материала подшипника, сорта смазки и способа ее подвода в деталь. Условие обеспечения жидкостного трения. Расчет радиального подшипника с цилиндрической расточкой. Определение параметра его динамической устойчивости.
курсовая работа [546,3 K], добавлен 28.12.2012Определение главного параметра конического редуктора. Выбор передаточного числа редуктора, подбор асинхронного двигателя и подшипников. Прочностной и геометрический расчеты передачи с определением усилий в зацеплении. Построение эскизной компоновки.
контрольная работа [137,4 K], добавлен 19.05.2011Расчет допустимого значения диагностического параметра. Определение периодичности профилактики. Расчет надежности (безотказности) заданного механизма, агрегата, системы. Расчет эмпирических характеристик распределения и его теоретических параметров.
курсовая работа [264,0 K], добавлен 11.11.2013