Усилитель на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Усилитель на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером

2. Расчет пассивных элементов схемы усилительного каскада

3. Исследование и применение операционных усилителей в практических схемах

3.1 Коэффициент ослабления синфазного сигнала и температурный дрейф операционного усилителя

3.2 Время интегрирования в интеграторе напряжения на ОУ

3.3 Определение и обоснование параметров ОУ

Список использованных источников

Введение

Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Он представляет собой кристалл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупроводники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и непроводниками тока (изоляторами). Небольшой кристалл полупроводникового материала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких пределах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного напряжения смещения. Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собственный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзистора. В настоящее время находят применение транзисторы двух видов -- биполярные и полевые.

Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных. Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния -- основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов. Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие -- германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств. Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой. Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близко лежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор. Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую -- коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам. Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение -- входной сигнал, то в цепи коллектор -- эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению. Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера -- несколько вольт. Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения.

1. Усилитель на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером

Данный каскад предназначен для усиления гармонических сигналов и работает на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеющий эмиттерную стабилизацию точки покоя. В данной схеме, как и в большинстве схемах усилителей, используется биполярный транзистор, так как он обладает высоким быстродействием, при достаточно больших токах коллектора он служит для усиления сигналов, поступающих на его вход. Так как транзистор имеет три вывода, а для подачи входного и снятия выходного сигнала необходимо четыре вывода, следовательно, транзистор включают по общей схеме с одним из выводов (коллектором, эмиттером, базой):

- с общим коллектором - в этой схеме мы получаем большое усиление по току;

- с общей базой - в этой схеме происходит малое усиление по току и по напряжению. Схемы с общей базой, как правило, используются в входных каскадах принимающих устройств, так как имеет малый коэффициент усиления;

- с общим эмиттером - такие схемы обладают высоким усилением по напряжению и току, поэтому их используют в 90% всех усилителей. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада, высокое выходное сопротивление. Так же при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления. Внешние факторы оказывают сильное влияние из-за того, что транзистор, являясь полупроводниковым прибором, изменяет свои параметры при изменении рабочей температуры. Так, при повышении температуры, усилительные свойства транзистора ухудшаются. Обусловлено это рядом причин: при повышении температуры значительно увеличивается такой параметр транзистора, как обратный ток коллектора.

Увеличение обратного тока коллектора транзистора приводит к значительному увеличению коллекторного тока и к смещению рабочей точки в сторону увеличения тока. При некоторой температуре коллекторный ток транзистора возрастает до такой величины, при которой транзистор перестает реагировать на слабый входной (базовый) ток - каскад перестает быть усилительным. Для того чтобы расширить диапазон рабочих температур, необходимо применять дополнительные меры по температурной стабилизации рабочей точки транзистора. Качественную стабилизацию температурных параметров каскада усиления можно получить, используя "эмиттерную" температурную стабилизацию. Данная схема позволяет каскаду сохранять усилительные свойства в очень широком интервале рабочих температур. Кроме того, применение данной схемы стабилизации дает возможность замены транзисторов без последующей настройки. Конденсатор С3 служит для повышения коэффициента усиления каскада на переменном токе. Он устраняет отрицательную обратную связь каскада. Емкость этого конденсатора зависит от рабочей частоты усилителя.

Теперь подробно рассмотрим назначение данного резистивного каскада, имеющего эмиттерную температурную стабилизацию точки покоя.

Выходная цепь каскада включает источник питания E, управляемый элемент-транзистор VT и резистор Rк. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекающего коллекторного тока Iк, управляемого током базы Iб, создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы Uвых. Остальные элементы играют вспомогательную роль. Конденсаторы C и С являются разделительными: C исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи + E; во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе U~Bn в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала Uвх=0, от внутреннего сопротивления источника входного сигнала. Назначение конденсатора С - пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения. Резисторы Rд1 и Rд2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, так как каскад по входу обладает малым сопротивлением, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллекторной цепи I задается соответствующей величиной тока базы покоя Iбn, протекающего от источника питания E через резистор Rд1. Совместно с Rд2 резистор Rд1 образует делитель напряжения питания E , часть которого, выделяемая на резисторе Rд2, равна значению Uбп (определяемой по вольт амперной характеристике). Выбор значения определяется требованием минимальных искажений формы входного сигнала, вносимых транзистором в режиме усиления. Это требование выполняется, если точка покоя находится в середине линейного участка входных и выходных характеристик транзистора. Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих факторов, ток I делителя Rд1-Rд2 должен быть в от 2 до 5 раз больше необходимого тока покоя базы Iбп. Резистор Rэ является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменениях температуры. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие Сэ приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада.

2. Расчет пассивных элементов схемы усилительного каскада

Расчёт резисторного каскада предварительного усиления гармонических сигналов на биполярном транзисторе, работающем на входную цепь следующего каскада.

Транзисторы включены по схеме с ОЭ и имеют эмиттерную стабилизацию точки покоя.

Таблица 1. Исходные данные

Таблица 2. Параметры транзистора

Входное напряжение подводится к входу через разделительный конденсатор, препятствующий прохождению постоянного напряжения. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора, подводится к следующему каскаду через следующий разделительный конденсатор. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи от нагрузки следующего транзистора по постоянной составляющей коллекторного тока I_к0. Значения I_к0 и других постоянных составляющих тока и напряжений в цепях транзистора зависят от начального режима работы (начального положения рабочей точки), задаваемого при отсутствии сигнала.

Для начала выберем параметры рабочего режима транзистора. К ним относятся:

- U_КО - выходное напряжение в точке покоя;

- I_КО - выходной ток в точке покоя;

- I_БО - входной ток в точке покоя.

Для выбора входного тока в точке покоя необходимо рассчитать сумму амплитуд переменных составляющих тока коллектора, протекающего через резисторы R, R_{Д1 СЛ} , R_{Д2 СЛ} и амплитуды тока I_{ВХ М СЛ} следующего каскада I_км.

Расчет ведется по формуле:

Предварительно необходимо произвести расчеты напряжения следующего каскада - и ориентировочное значение сопротивления резистора в коллекторной цепи транзистора -

Далее подставляем полученные значения в формулу для расчета суммы амплитуд токов:

Выбор выходного тока в точке покоя

Выходной ток в точке покоя - прямо пропорционален сумме амплитуд переменных составляющих тока коллектора и амплитуды тока следующего каскада. Зависимость выражается коэффициентом, значение которого лежит в пределах от 1,2 до 1,5

Для расчета возьмем значение коэффициента равное 1,3

Расчет выходного напряжения в точке покоя Uко:

В данной формуле неизвестно значения сопротивления резистора в коллекторной цепи- R и сопротивления резистора в эмиттерной цепи - R_э

Далее выберем значения номиналов резисторов в соответствии с теми, которые выпускает завод, округлив вычисленные значения в большую сторону.

Получим R=1,5 (кОм) , (Ом).

Из полученных значений номиналов резисторов теперь можно вычислить значение входного напряжения в точке покоя:

Для проверки правильности выбранного значения необходимо сравнить его с тремя вольтами и максимальным значением напряжения в переходе коллектор-эмитер U_{КЭ МАХ} транзистора умноженным на коэффициент от 0,3 до 0,4

3В<U_К0<(0.3…0.4)U_{КЭ МАХ}

Так как 3<3,787<9 можно считать, что входное напряжение в точке покоя выбрано верно.

Расчет входного тока в точке покоя -

Входной ток в точке покоя I_Б0 определяется расчетным путем для наихудшего транзистора, т.е. имеющего наименьший коэффициент усиления по току h_21Э

h_21МИН - это минимальный коэффициент усиления по току. Берется из справочных данных транзистора. Для транзистора КТ315В это значение равно 20.

Для расчета коэффициента усиления каскада по току К_I надо определить Rдсл - сопротивление делителя смещения следующего каскада

Ro - входное сопротивление следующего каскада:

R - сопротивление нагрузки выходной цепи транзистора току сигнала:

Далее возможно рассчитать коэффициент усиления по току - Ki

R - сопротивление в цепи коллектора.

Подставив уже известные значения в формулу получим:

Ku - коэффициент усиления по напряжению:

Здесь R_{вх э} - входное сопротивление транзистора

- это сопротивление области базы, берется из справочных данных транзистора. Для рассматриваемого транзистора его значение равно 70 Ом;

h_21Э - типовое значение коэффициента передачи тока, определяется по формуле:

Следовательно:

Теперь возможно подсчитать коэффициент усиления по напряжению:

Коэффициент усиления по мощности определяется как произведение коэффициентов усиления по напряжению и по току.

Расчет емкости разделительного конденсатора. Известно, что частотные искажения на низких частотах в резисторных каскадах создаются разделительным конденсатором С и конденсатором эмиттерной стабилизации С_Э . Поэтому емкости конденсаторов С и С_Э рассчитываются, исходя из допустимых частотных искажений в области нижних частот:

В этой формуле не известно R_{ЭКВ Н} - внутреннее сопротивление эквивалентного генератора в области нижних частот. В расчетах можно считать R_{ЭКВ Н} приблизительно равным сопротивлению в коллекторной цепи транзистора R, т.е. R_{ЭКВ Н} ? R.

М_Н подставляется в формулу в относительных единицах. В условии задачи М_Н задается в децибелах. Значению 8 дБ, указанному в задании по таблице соответствует значение 1,096 относительных единиц. Далее подставим в формулу известные значение и получим значение емкости разделительного конденсатора и конденсатора эмиттерной стабилизации

Подберем номинальное значение емкости для конденсатора.

Получим

3. Исследование и применение операционных усилителей в практических схемах

транзистор биполярный операционный усилитель

3.1 Коэффициент ослабления синфазного сигнала и температурный дрейф операционного усилителя

Коэффициент ослабления синфазного сигнала - это одна из основных характеристик дифференциального или как его еще называют разностного усилителя, показывающая, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного сигнала. Дифференциальный усилитель представляет собой симметричный усилитель, состоящий из двух симметричных каскадов с общим резистором в эмиттерной цепи, предназначенный для усиления разниц двух напряжений. Если уровни сигналов на обоих входах изменяются одинаково, то сигнал называется синфазным, а не одинаково - дифференциальный сигнал.

Дифференциальный усилитель должен обладать большим коэффициентом подавления синфазного сигнала, так как синфазный сигнал зачастую является различным шумам, помехами, наводками, идущими на фоне с полезным дифференциальным сигналом. В идеальном дифференциальном усилителе синфазный сигнал не усиливается, а вычитается из-за симметричности схемы. Но на практике это не происходит из-за того, что невозможно идеально подобрать, согласовать два каскада. Для уменьшения влияния синфазного сигнала в эмиттерную цепь подключают источник питания. Если заменить резистор в эмиттерной цепи на источник тока, при этом действующее значение резистора в эмиттерной цепи станет очень большим, а усиление синфазного сигнала будет ослаблено почти до нуля. Если мы подадим на вход синфазный сигнал: источник тока в эмиттерной цепи поддерживает полной эмиттерный ток постоянный и он, в силу симметрии схемы, равномерно распространиться между двумя коллекторами, следовательно, сигнал на входе схемы не изменится. Так же для дополнительного снижения влияния синфазного сигнала до уровня 80-120 дБ обеспечивается за счет глубокой обратной отрицательной связи по синфазной составляющей.

И так:

где Кд-коэффициент усиления дифференциального сигнала, а Ксф - коэффициент усиления синфазного сигнала. Для его расчета необходимо знать два входных сигнала- Uвх1 ,-Uвх2 и Uвых - выходной сигнал

Где Uд-напряжение дифференциального сигнала

который берётся по модулю, а Uсф - напряжение синфазного сигнала

Температурный дрейф - это смещение рабочей точки усилителя. Температурный дрейф возникает вследствие влияния окружающей среды (различные излучения и температура самой окружающей среды) и влияние входных сигналов. Температура окружающей среды влияет на биполярный транзистор тем, что происходит тепловое смещение входных характеристик, увеличение не управляемого тока коллектора Iкб0, также коэффициент передачи входного тока h21 является температурно-зависимым. Это всё приводит к изменению выходного тока Iко, следовательно, и к отклонению рабочей точки, что ведёт к искажению выходного напряжения.

Если температурный дрейф рассматривать в операционном усилителе, мы получаем его ещё и из-за входных сигналов. По входу операционный усилитель состоит из дифференциального усилителя. Дифференциальный усилитель основан на двух транзисторах, на которые подаются сигналы, так как дифференциальный усилитель сравнивает и усиливает разность между входным сигналами, то из этого следует то, что усиление на одном из транзисторов происходит больше, следовательно, на нем выделяется больше мощности, а так как операционный усилитель является интегральной микросхемой, значит, выделяемая мощность влияет и на второй транзистор, и поэтому происходит смешение рабочей точки. Во избежание этого, в эмиттерную цепь устанавливают цепь терма-стабилизации, главным элементом которой является диод той же проводимости и выполненный из того же полупроводникового материала, что и сами транзисторы. Этот диод при изменении температуры будет вести себя так же, как и транзисторы, тем самым не давая рабочей точке смещаться.

3.2 Время интегрирования в интеграторе напряжения на ОУ

Время интегрирования в интеграторе напряжения на операционном усилителе - это время нарастания выходного напряжения. Интегратор напряжения, устройство на операционном усилителе, предназначенное для преобразования входного сигнала Uвх(t) в выходной, изменяющийся по закону интеграла от входного:

где Uвых(0)- значение выходного напряжения интегратора в первоначальный момент времени, когда входной сигнал ещё не подан.

Следовательно, интегратор может преобразовывать входные импульсы прямоугольной формы в импульсы треугольной (пилообразной формы), причем они будут изменяться линейно, так же он способен расширять импульсы по длительности. Но линейное изменение выходного сигнала происходит только в идеальном интеграторе так как:

где t-время интегрирования,

ф - постоянная времени интегрирования, которая определяется произведением сопротивление резистора на емкость конденсатора.

Разложив функцию получим:

Получим, что часть выражения изменяется линейно, а вторая квадратично, что является ошибкой интегрирования.

При интегрировании импульсов прямоугольной формы с длительностью

tu=t1-t0 (25)

относительная погрешность составляет:

Для интегрирования импульса прямоугольной формы с погрешностью меньше 1% необходимо, чтобы постоянная времени ф в 50 раз превышала длительность импульса tu. Ошибки интегрирования накапливаются в конденсаторе, тем самым заряжая его, так же этот конденсатор подзаряжается за счет входных токов и напряжением смещения операционного усилителя. Что приводит к ограничению максимальной длительности интегрирования, так как напряжение ошибок возрастает и в итоге может привести к переходу операционного усилителя в режим насыщения.

Поэтому параллельно конденсатору устанавливают шунтирующий резистор в несколько мега ом, так же параллельно устанавливают ключ для замыкания конденсатора, тем самым сбрасывая ошибки интегрирования. Импульс так же не может мгновенно возрасти и уменьшиться, так как для заряда и разряда конденсатора так же необходимо время из-за его устройства.

Для увеличения скорости можно подавать большие по силе входное напряжение, но опять же до определенного предела, иначе операционный усилитель может войти в режим насыщения и приведёт к ошибке.

Итак, мы получили три причины ограничения времени интегрирования - это наличие в схеме емкости конденсатора резистора и влияние величины входного напряжения.

3.3 Определение и обоснование параметров ОУ

Рассчитать Косс дифференциального усилителя как отношение и выразить в дБ при Uвх1=0,5 (B), Uвх2=0,5001 (B) и Uвых=12 (В)

Где

Где

Подставим наши значения:

Переведя в дБ получим .

Список использованных источников

Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. Москва. Изд. “Радио и связь” 1991год.

Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Ленинград. Изд. “Энергоатомиздат” Ленинградское отделение 1988г.

Александренко А.Г., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. Москва. Изд. “Радио и связь”1981год.

Справочник по микроэлектронной импульсной техники / В.Н. Яковлев, В.В. Воскресский, С.И. Мирошниченко / Киев “Техника” 1983год.

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы Москва Изд. “Радио и связь” 1989год.

Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника Москва. Изд. «Высшая школа» 1985год.

Ибрагим К.Ф. Основы электронной техники Москва «Мир» 1997год.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Москва. Изд. «Мир» 1984год.

Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. Учебное пособие для высших учебных заведений Москва. Изд. “Радио и связь” 1990год.

Справочник под ред. Якубовского С.В. Цифровые и аналоговые микросхемы. Москва. Изд. “Радио и связь” 1989год.

Размещено на Allbest.ru