Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Бийский Технологический институт (филиал) федерального бюджетного учреждения высшего профессионального образования

"Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"

Кафедра методов и средств измерений и автоматизации

Курсовой проект

Тема: Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Бийск - 2015

Введение

Характерной особенностью современных электронных усилителей является многообразие схем, по которым они могут быть спроектированы. Однако среди этого многообразия можно выделить наиболее типичные схемы, содержащие элементы и цепи, которые чаще всего встречаются в усилительных устройствах независимо от их функционального назначения.

Современные усилители выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-технологическими особенностями. Схемные же построения принципиальных отличий не имеют.

Развитие усилителей неразрывно связано с появлением и совершенствованием усилительных элементов - сначала ламп, затем транзисторов, интегральных схем и других электронных приборов, усиливающих электрические сигналы. При этом наибольшее распространение получили усилители на биполярных транзисторах.

Усилители электрических сигналов, применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.

1. Структура биполярного транзистора, принцип действия

В биполярных транзисторах в образовании тока участвуют носители зарядов двух знаков - и дырки, и электроны.

Распространённый тип биполярных транзисторов - это трёхслойная структура с двумя p-n переходами, разделёнными слоем базы. Внешние выводы от транзистора выполняются на основе невыпрямляющих контактов ("Металл-полупроводник") [1,2].

В зависимости от типа электропроводности крайних областей различают: транзисторы n-p-n структуры и транзисторы p-n-p структуры.

Области эмиттера и коллектора легируются донорной примесью, а разделяющая их база - акцепторной примесью. Самая высокая степень легирования у эмиттера, немного слабее легирован примесью коллектор. Базу же обедняют носителями, а в поперечном сечении её делают гораздо тоньше, чем области эмиттера и коллектора (до 1 мкм при традиционной технологии и 0,1 мкм по низковольтной интегральной технологии).

После таких мер ослабляется рекомбинация носителей в базе (взаимное уничтожение носителей зарядов двух знаков и образование нейтральных зарядов), уменьшается длина свободного пробега носителей, встречная инжекция носителей из базы в эмиттер становится практически незаметной. Но база за счёт таких мер становится высокоомной областью.

Рисунок 1.1 - Транзистор n-p-n структуры



Рисунок 1.2 - Диаграмма напряжений транзистора

Чтобы вызвать инжекцию носителей из эмиттера в базу, на участок эмиттер-база подключается источник (рисунок 1.2) таким образом, чтобы поле эмиттерного перехода было ослаблено полем внешнего источника (подход тот же, что при отпирании полупроводникового диода, то есть потребуются доли вольта, чтобы вызвать инжекцию). Носители, перешедшие из эмиттера в базу, становятся там неосновными. Поле коллекторного перехода (при указанной полярности напряжения на коллекторе) будет ускоряющим для этих носителей при условии, если электрическое поле внешнего источника (Ек) будет совпадать с полем коллекторного перехода, то есть будет его усиливать, а не ослаблять. В этом случае носители, попадая под действие ускоряющего поля коллекторного перехода, втягиваются в область коллектора (явление экстракции).

Чтобы оценить, какая часть эмиттерного потока носителей переведена из базы в коллектор, вводится понятие статического коэффициента передачи тока эмиттера

(1)

Если полярность источников на эмиттере и коллекторе соответствует рассмотренной (рисунок 1.3 а), то такой режим транзистора принято называть активным. В активном режиме коэффициент “б” называют нормальным коэффициентом передачи тока эмиттера и обозначают “бn”.

Значение этого коэффициента колеблется от 0.98 до 0.99. На ток базы, при этом, из общего тока (IЭ) приходится:

IБ = IЭ - IК

То есть ток базы - величина незначительная по сравнению с токами эмиттера и коллектора. Учитывая это можно сделать вывод о том, что переходы в транзисторе ведут себя так же как переход в полупроводниковом диоде в разных его состояниях ("открыт-закрыт"): эмиттерный переход находится в прямосмещённом состоянии, а коллекторный - в обратносмещённом. Поэтому, можно представить пассивную схему замещения транзистора (не отражающую усилительных свойств транзистора) в виде эквивалентных диодов (рисунок 1.3 а). А чтобы отразить, какие сопротивления соответствуют каждой области и каждому переходу, воспользоваться схемой замещения в виде эквивалентных резисторов (рисунок 1.3 б).

ЭП - эмиттерный переход; КП - коллекторный переход; rэ0 - сопротивление области эмиттера и прямосмещённого эмиттерного перехода; rк0 - сопротивление области коллектора и обратно смещённого коллекторного перехода; rб0 - сопротивление области базы.

Рисунок 1.3 - Схема замещения транзистора в виде эквивалентных а) - диодов, и б) - резисторов.

Из схемы на рисунке 1.3 а видно, что переходы в транзисторе равноправны: каждый из переходов может находиться как в прямосмещённом, так и в обратносмещённом состояниях. А из схемы на рисунке 1.3 б видно, что каждая область и переходы имеют вполне конкретное сопротивление.

Для отображения в схеме замещения активных свойств транзистора, выходную коллекторную цепь транзистора представляют в виде эквивалентного генератора тока

Фактически на рисунке 1.4 приведена малосигнальная физическая модель биполярного n-p-n транзистора в активном режиме.

Рисунок 1.4 - Физическая модель биполярного n-p-n-транзистора

Мощности, рассеиваемые на переходах.

Из предыдущих рассуждений о транзисторе n-p-n-типа следует, что по переходам текут примерно одинаковые токи, но они текут по разным сопротивлениям и под действием разных напряжений, то есть:

мощность, рассеиваемая на эмиттерном переходе

мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе

Следовательно, на коллекторном переходе рассеивается большая мощность, чем на эмиттерном: КП находится в обратносмещённом состоянии и его сопротивление составляет десятки сотни кОм. По этой причине коллекторный переход приходиться делать более массивным, а транзистор получается несимметричным [1,3].

Токи неосновных носителей в биполярном транзисторе.

Помимо основного коллекторного тока Iк через коллекторный переход течёт ток неосновных носителей Iкб0. Природа тока Iкб0 та же, что и у диода, поставленного под обратное напряжение. Даже при отсутствии инжекции со стороны эмиттера, но при подключенном Ек, ток Iкб0 в транзисторе течёт на участке "коллектор-база". В схеме (рисунок 1.4) видно, что основной коллекторный ток и ток неосновных носителей (красные стрелки) текут согласно и, таким образом, при увеличении температуры ток Iкб0 сделает "добавочку" в общий коллекторный ток, и это необходимо учитывать при расчёте температурных режимов электронных схем.

Выражение для результирующего тока коллектора:

.

Транзисторы p-n-p структуры устроены аналогично транзисторам со структурой n-p-n типа, но проводимость в p-n-p структуре будет дырочной (основные носители - дырки). Следовательно, полярность подключаемых источников будет иной. На рисунке 1.5а показана структура транзистора p-n-p типа, а на рисунке 1.5 б - условное графическое изображение транзистора в схемах [1,3].



Рисунок 1.5 - Транзистор p-n-p структуры

Более технологичными признаны транзисторы структуры n-p-n-типа: основную роль в процессах транзистора n-p-n типа играют электроны, а в p-n-p структуре - дырки, но электроны обладают большей подвижностью, чем дырки (в 2…3 раза), поэтому быстродействие электронных схем на n-p-n структуре выше. Поэтому в интегральной технологии преимущество отдано структуре n-p-n типа.

2. Схемы и режимы включения транзистора

В зависимости от состояния эмиттерного и коллекторного переходов в транзисторе различают четыре способа (режима) его включения [3,4].

Нормальное включение (активный режим). При таком включении эмиттерный переход находится в прямосмещённом, а коллекторный в обратносмещённом состояниях (рисунок 2.1). Эмиттер работает в режиме инжекции, а коллекторный переход - в режиме экстракциии. Такой режим используется в линейных усилителях. Статический коэффициент передачи тока бn = 0.98 - 0.99.

Рисунок 2.1 - Транзистор в активном режиме

Инверсное включение. При таком включении эмиттерный переход находится в обратносмещённом, а коллекторный в прямосмещённом состоянии (рисунок 2.2). Коллектор поставлен в режим инжекции, а эмиттер - в режим экстракции.

Рисунок 2.2 - Инверсное включение транзистора.

Инверсный статический коэффициент передачи тока бi = 0.5 - 0.7. Такой режим используется в некоторых цифровых схемах.

Режим двойной инжекции. При таком включении эмиттерный и коллекторный переходы находятся в прямосмещённом состояниях (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Транзистор в режиме двойной инжекции

Инжекция носителей в базу идёт из эмиттера и коллектора. В базе скапливается объёмный заряд, на рассасывание которого потребуется определённое время. Таким образом, транзистор становится инерционным прибором, скорость его переключения снижается, и чем глубже насыщение транзистора, тем хуже его переключающие свойства. Этот факт учитывается при проектировании транзисторных ключей, важным параметром которых является быстродействие.

Режим отсечки. При таком включении эмиттерный и коллекторный переходы находятся в обратносмещённом состояниях (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Транзистор в режиме отсечки

Транзистор при таких условиях будет закрыт (выключен), и через переходы будут течь лишь токи неосновных носителей (Iэб0 и Iкб0 - через эмиттерный и коллекторный переходы соответственно) [3,4].

В зависимости от того, какой из электродов транзистора будет общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения биполярного транзистора:

с общей базой (ОБ);

с общим эмиттером (ОЭ);

с общим коллектором (ОК).

2.1 Схема включения биполярного транзистора с ОБ.

В такой схеме включения (рисунок 2.5) база будет общей для входной (Uэб) и выходной (Uкб) цепей.

В режиме усиления напряжение евх источника необходимо будет усилить. В этой схеме усиления напряжения не может быть: схема дана без нагрузки и потенциал коллектора по переменной составляющей тока относительно базы ("условной земли") равен нулю: за счёт конденсатора Сб сопротивление источника Ек по переменной составляющей тока равняется нулю. Источник напряжения смещения Есм служит для того, чтобы задать рабочую точку (РТ) на вольтамперной характеристике транзистора (ВАХ) и составляет доли вольта. Конденсаторы, блокируют источники постоянного напряжения по переменной составляющей тока и, таким образом, предотвращают потери полезного выходного напряжения (в режиме усиления) на внутренних сопротивлениях этих источников.

В течение времени с t0 по t1 (рисунок 2.6) транзистор находится в режиме покоя: генератор переменной ЭДС отключен, и во входной, и в выходной цепях действуют только источники постоянного напряжения.

С момента времени t1 в схему подключается генератор переменной ЭДС. На вход транзистора поступает напряжение сложной формы Uэб (рисунок 2.6); с этого момента времени напряжение Uэб складывается из напряжения переменной ЭДС и напряжения источника смещения Есм.



евх - генератор переменной ЭДС; Есм - источник напряжения смещения; Iэп, Iкп, Iбп - постоянные составляющие тока в схеме (токи покоя); iэ, iк, iб - переменные составляющие тока во входной и выходной цепях; Ек - напряжение питания коллекторной цепи; Uкб - напряжение на выходе транзистора; Uэб - напряжение на входе транзистора; Сб1, Сб2 - конденсаторы;

Рисунок 2.5 - Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Рисунок 2.6 - Временная диаграмма работы транзистора

В этом режиме идёт речь о постоянных составляющих тока

Iэп = Iбп + Iкп,

с помощью которых задаётся положение рабочей точки транзистора (подготовка транзистора к режиму усиления переменного сигнала).

В течение времени с t1 по t2 от генератора переменной ЭДС поступает положительная полуволна напряжения евх (рисунок 2.7).

Напряжение на входе Uэб увеличивается, усиливается инжекция, ток во входной цепи iэ увеличивается, поэтому возрастает и ток в коллекторной цепи

iк = б iэ

Рисунок 2.7 - Положительный полупериод

iэ + Дiэ = iк + Дiк + iб + Дiб

Следовательно:

Дiэ = Дiк + Дiб

Таким образом, между токами входной и выходной цепей наблюдается практически пропорциональная зависимость, а это значит, что если во входном токе будут иметь место нелинейные искажения, то они обязательно будут переданы на выход и полезный выходной сигнал (в режиме усиления) будет искажён.

В течение времени с t2 по t3 от генератора переменной ЭДС поступает отрицательная полуволна напряжения евх (рисунок 2.8). Напряжение на входе Uэб уменьшится, инжекция уменьшается, ток во входной цепи iэ уменьшается, следовательно, уменьшается и ток в коллекторной цепи.



Рисунок 2.8 - Отрицательный полупериод

Поведение транзистора в течение действия целого периода напряжения переменной ЭДС, указывает на то, что под действием входного напряжения евх происходит модуляция поперечного сечения базы, в результате изменяется уровень инжекции носителей со стороны эмиттера и, следовательно, меняются токи на входе и выходе. Ток коллектора следует за всеми изменениями тока эмиттера, следовательно, схема включения транзистора с ОБ - это схема с эмиттерным управлением [3,4].

Выводы по схеме с ОБ:

а) Схема не усиливает по току (б < 1);

б) Схема имеет малое входное и большое выходное сопротивления, следовательно, схема с ОБ имеет плохие согласующие свойства;

в) Схема с ОБ имеет хорошие усилительные свойства по напряжению (в режиме усиления);

г) Транзистор в схеме с ОБ имеет хорошие температурные и частотные свойства.

2.2 Схема включения биполярного транзистора с ОЭ

В схеме с ОЭ (рисунок 2.9) входным током будет ток базы (наименьший ток в транзисторе), а выходным - ток коллектора (близкий по величине току эмиттера). Следовательно, по отношению этих токов можно судить о неплохих усилительных свойствах схемы по току.



Рисунок 2.9 - Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Входным напряжением будет напряжение на участке “база-эмиттер” (Uбэ), а выходным - напряжение на участке “коллектор-эмиттер” (Uкэ).

Передачу тока базы в цепь коллектора оценивают дифференциальным статическим коэффициентом передачи тока базы - воэ.

(2)

Таким образом, транзистор в схеме с ОЭ обладает хорошими усилительными свойствами по току и чем больше б, тем больше в.

Для анализа тока неосновных носителей (Iкэ0) в транзисторе с ОЭ используют пассивную схему замещения транзистора эквивалентными диодами при отключённой базе (рисунок 2.10).

Схема названа пассивной, потому что в ней не отражены активные (усилительные) свойства транзистора.

Под действием источника напряжения Ек в цепи “коллектор-эмиттер” протекает ток неосновных носителей Iкэ0. Этот ток на своём пути создаёт падение напряжения на переходах транзистора. Но на ЭП падение напряжения оказывается “прямым”, что вызовет, хоть и слабую, но инжекцию носителей из эмиттера.



Рисунок 2.10 - Схема замещения транзистора эквивалентными диодами

Следовательно, ток через переходы увеличится на величину диффузионного тока (Iкэ0 + Iдиф). Падение напряжения на переходах увеличивается, в том числе и на ЭП. Процесс может принять лавинообразной характер и привести к гибели транзистора. Поэтому, в схеме с ОЭ необходимо строго соблюдать последовательность подключения источников напряжения, а именно:

а) в первую очередь подаётся напряжение в цепь базы;

б) во вторую очередь - на коллектор;

в) отключать источники напряжения полагается в обратном порядке.

Как видно, ток неосновных носителей в схеме с ОЭ оказывает влияние на процесс инжекции, поэтому этот ток в этой схеме значительно больше, чем в схеме с ОБ

Iкэ0 = (в + 1) Iкб0

По этой причине температурные свойства транзистора в схеме с ОЭ значительно хуже, чем в схеме с ОБ [3,4].

Выводы по схеме с ОЭ:

а) Транзистор в схеме с ОЭ хорошо усиливает по току;

б) В режиме усиления схема имеет хорошие усилительные свойства по напряжению;

в) Имея хорошие усилительные свойства по току и по напряжению, схема с ОЭ признана лучшим усилителем мощности;

г) Входное сопротивление у схемы с ОЭ больше, чем у схемы с ОБ, но, тем не менее, входное сопротивление всё же меньше, чем выходное;

д) Схема с ОЭ нуждается в элементах частотной и температурной коррекции, так как имеет плохие температурные и частотные свойства.

2.3 Схема включения биполярного транзистора с ОК

Входным током в такой схеме является ток базы, а выходным - ток эмиттера. Таким образом, эта схема (рисунок 2.11), как и схема с ОЭ, является схемой с базовым управлением.

Усиление по току определяем по отношению выходного эмиттерного тока (наибольшего тока в транзисторе) ко входному базовому (наименьшему).

Рисунок 2.11 - Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Например, при б = 0.99, воэ = 99, вок = 100.

Нагрузка в схеме с ОК в режиме усиления включается в цепь эмиттера.

За счёт усиления по току схема с ОК может использоваться в качестве усилителя мощности [4].

Схема с ОК среди трёх схем включения имеет особенности:

а) Включение нагрузки в цепь эмиттера создаёт 100% отрицательную обратную связь (ООС) по переменной составляющей сигнала;

б) 100%-я ООС по переменной составляющей сигнала обеспечивает схеме большое входное сопротивление (а выходное сопротивление у схемы мало);

в) Имея большое входное сопротивление и малое выходное, схема с ОК успешно применяется для согласования высокоомной нагрузки с низкоомной, например, во входных цепях измерительных вольтметров, осциллографов;

г) У транзистора в схеме с ОК плохие частотные и температурные свойства;

д) Схема с ОК не усиливает по напряжению, но она лучше других усиливает по току, поэтому её можно использовать в качестве усилителя мощности.

3. Температурные и частотные свойства биполярного транзистора

3.1 Температурные свойства транзистора

Различают три основные причины зависимости коллекторного тока от температуры:

а) зависимость тока неосновных носителей Iкб0 от температуры (этот ток удваивается при изменении температуры на каждые 10°С у германиевых транзисторов и на каждые 8°С у кремниевых);

б) напряжение база-эмиттер Uбэ с увеличением температуры уменьшается (примерная скорость этого уменьшения ?Uбэ / ?Т ? - 2.5 мВ/°С);

в) коэффициент передачи тока базы в (h21) с повышением температуры увеличивается.

Самое ощутимое влияние на работу транзистора при повышении температуры оказывает ток Iкб0. За счет этого тока может произойти тепловой пробой коллекторного перехода.

Температурные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с ОЭ. Например, если при температуре 20°С германиевый транзистор имел коэффициент передачи тока эмиттера h21 = 50, ток коллектора Iк = 100 мА, ток неосновных носителей Iкб0 = 10 мкА, то при изменении температуры с 20°С до 70 °С у германиевого транзистора в схеме с ОБ произойдет увеличение тока Iкб0 в 32 раза, то есть ток Iкб0 станет равен 320 мкА, а ток коллектора Iк = 100.32 мА. Такое незначительное увеличение тока коллектора при изменении температуры на +50°С практически не нарушит работу транзистора [4].

В схеме на транзисторе с ОЭ картина иная, так как сквозной ток течёт через коллекторный и эмиттерный переходы Iкэ0 будет в (в+) раз больше тока Iкб0. Следовательно, у того же транзистора, что использовался в схеме с ОБ, при изменении температуры на те же +50°С произойдет увеличение тока неосновных носителей Iкэ0 до 16 мА, а коллекторного тока со 100 мА до 116 мА. Такое изменение тока коллектора основательно повлияет на режим транзистора и на его основные характеристики.

В схеме с ОБ ток неосновных носителей Iкб0 не участвует в процессе инжекции со стороны эмиттера, а в схеме с ОЭ ток неосновных носителей непосредственно влияет на процесс инжекции [4].

3.2 Частотные свойства транзистора

С повышением частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются по двум причинам.

Во-первых. Влияние диффузионной и барьерной емкостей эмиттерного и коллекторного переходов.

Влияние барьерных емкостей. Обозначим сопротивление эмиттерного перехода через rэ, а барьерную ёмкость ЭП - через Сэ.

Роль эмиттерной барьерной ёмкости. Постоянная времени эмиттерного перехода (она же и постоянная времени коэффициента инжекции)

фэп = rэСэ.

Чаще всего фэп << tпр, (где tпр - время пролёта носителей) поэтому постоянную времени эмиттерного перехода можно не учитывать. И только в микрорежиме, когда фэп становится соизмеримым со временем пролёта носителей (tпр), необходимо учитывать постоянную времени эмиттерного перехода:

фa = фэп + tпр бa = 0.8tпр

Роль коллекторной барьерной ёмкости. При анализе влияния барьерной ёмкости (Ск) на работу транзистора закоротим участок “коллектор-эмиттер” (чтобы можно было пренебречь сопротивлением коллекторного перехода). При таких условиях ёмкость Ск окажется подключенной параллельно к базе. Следовательно, справедливо будет постоянную времени такой цепочки обозначить через фб.

фб = rбСб

Ток в коллекторной цепи (бIэ) распределяется между внешней цепью (куда входит и rб) и ёмкостью Ск. Следовательно, с повышением частоты ток, протекающий в коллекторной цепи, будет меньше, чем бIэ [4].

Во-вторых. Появление фазового сдвига между переменными составляющими входного и выходного токов. Период подводимых колебаний становится соизмеримым со временем пролета носителей, в базе происходит накопление объемного заряда, за счет которого затруднена инжекция носителей в базу из эмиттера, так как на рассасывание заряда требуется определенное время. Коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается и становится комплексной величиной.

Для характеристики частотных свойств транзистора вводятся параметры:

а) предельная частота транзистора fпр ? это такая частота, на которой статический коэффициент передачи тока эмиттера б уменьшается в 2 раза по сравнению с б, измеренном на частоте 1000Гц;

б) граничная частота транзистора fгр ? это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице. На любой частоте в диапазоне 0.1fгр < f < fгр модуль коэффициента передачи тока базы изменяется в два раза при изменении частоты в два раза;

в) максимальная частота генерации ? наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Приближенно эта частота соответствует выражению

 (3)

где fгр ? граничная частота в МГц; фк = rбСк ? постоянная времени цепи обратной связи, определяющая устойчивость усилительного каскада к самовозбуждению; rб ? распределенное омическое сопротивление базовой области; Ск ? емкость коллекторного перехода [4,5].

Частотные свойства транзистора зависят от его схемы включения.

4. Расчет усилительного каскада

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ приведена на рисунке 4.1.

Усилительный каскад выполнен на биполярном транзисторе n-p-n-типа. На вход усилителя подключен источник входного сигнала Ec, который имеет внутреннее сопротивление Ri. Конденсаторы Cp1 и Cp2 предназначены для разделения режима работы усилителя по постоянному току, не пропускают постоянную составляющую переменного сигнала. Резисторы Rб1 и Rб2, составляющие делитель напряжения на входе транзистора, формируют напряжение смещения, определяющее положение рабочей точки транзистора на нагрузочной прямой выходных характеристик транзистора. Резистор Rк является нагрузочным в цепи коллектора по постоянному току, определяет выходное сопротивление усилительного каскада и коэффициент усиления по напряжению KU. С увеличением значения Rк (до определённого ограничения) коэффициент KU возрастает.

Рисунок 4.1 - Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Для термостабилизации рабочей точки транзистора применяется последовательная отрицательная обратная связь по току, которая формируется через резистор Rэ. Конденсатор Cэ является шунтирующим и служит для увеличения коэффициента усиления каскада по переменной составляющей, а также для формирования частотной характеристики усилителя.

Усилительный каскад на рисунке 4.1 имеет параллельную структуру, является фазоинверсным, так как фаза выходного напряжения изменяется на угол р по отношению к входному напряжению. Усилитель с ОЭ усиливает входной сигнал по току, напряжению и мощности. Входное сопротивление каскада определяется сопротивлениями Rб1, Rб2 и входным сопротивлением транзистора h11. Выходное сопротивление каскада зависит от сопротивления коллектора

Rвых ? Rк ? 1/h22.

Коэффициент усиления по напряжению определяется зависимостью выходного напряжения от входного

KU=Uвых/ Uвх.

Ток коллектора рассчитывается на основе тока базы Iб и коэффициента передачи тока базы в

Iк= в·Iб.

Частотные свойства усилителя зависят от частотных характеристик базового транзистора, выходного сопротивления источника сигнала и нагрузки.

Нелинейные искажения усилительного каскада определяются внутренним сопротивлением генератора на входе, сопротивлением нагрузки и уровнем амплитуды выходного сигнала.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах находят наибольшее применение в предварительных усилительных каскадах, так как усиливают ток и напряжение, а, следовательно, обеспечивается усиление сигнала по мощности.

4.1 Исходные данные и результаты расчета усилительного каскада

Для выполнения расчёта усилительного устройства с общим эмиттером необходимо воспользоваться следующими исходными данными:

1) Uп - напряжение источника питания;

2) Um - амплитуда напряжения на выходе усилительного каскада;

3) Rн - сопротивление нагрузки;

4) fн, fв - нижнее и верхнее значения усиливаемой полосы частот;

5) Mн, Mв - уровни частотных искажений на нижней и верхней граничной частоте;

6) tmin, tmax, - минимальное и максимальное значения температуры окружающей среды;

7) Ri - сопротивление источника входного сигнала;

8) режим работы усилительного каскада - класс А. В этом режиме ток в выходной цепи транзистора протекает весь период действия входного сигнала, напряжение смещения Uсм > 0, рабочая точка покоя находится в середине нагрузочной прямой. Транзистор работает в линейной области, поэтому класс А характеризуется минимальными нелинейными искажениями усиливаемого сигнала. Коэффициент полезного действия не более 0.5, в связи с этим класс усиления А используют в усилителях малой мощности.

В результате расчёта и анализа усилительного каскада должны быть определены, рассчитаны параметры транзистора и каскада и выполнено графическое построение следующим образом:

1) Выбрать тип транзистора по рассчитанным: току коллектора Iк, мощности транзистора P, верхней рабочей частоте fв и напряжению Uкэ, и вольтамперные статические входные и выходные характеристики;

2) На статических характеристиках построить нагрузочную прямую, рабочую точку и определить ток и напряжение покоя (Iкп, Uкэп);

3) По статическим входным и выходным характеристикам определить h-параметры транзистора:

h11 - входное сопротивление;

h12 - коэффициент обратной связи по напряжению;

h21 - коэффициент передачи тока базы;

h22 - выходную проводимость;

4) Рассчитать номинальные значения сопротивлений и ёмкостей конденсаторов принципиальной электрической схемы усилительного каскада;

5) Rвх - входное сопротивление усилителя;

6) Rвых - выходное сопротивление усилителя;

7) KU - коэффициент передачи (усиления) по напряжению входного сигнала;

8) KI - коэффициент передачи по току входного сигнала;

9) KP -коэффициент усиления по мощности входного сигнала;

10) Определить частотные искажения усилителя.

4.2 Расчет усилителя по постоянному току

Исходные данные:

Uп=25В; Rн=120 Ом; fн=9 Гц; Мн=1.1; Мв=1.3; Ri=1.2 кОм;

tmin=0°C, tmax=110°C.

Выбираем транзистор VT, исходя из выполнения следующих условий.

Сопротивление коллектора

Rк = Kн*Rн,

где Kн = 5…10.

Выбираем Rк = 10·120 Ом = 1200 Ом (для максимального значения Kн). Рассчитанное значение Rк соответствует стандартному ряду и принимаем

Rк =1200 Ом.

Uкэ max доп ? Uп , принимаем Uкэ max доп = 25 В.

Допустимая максимальная мощность

Pк max доп ? Iкп Uкэп

где

Iкп =(Uп ? Uк )/ Rк.

Полагаем

Uк= Uп/2;

Iкп =(25В ? 25В/2 )/ 1200 Ом =0.010 А

Pк max доп ? I кп *U кэп=0.010А *12.5В=0.125 Вт

Iк max доп ? Uп / Rк ,

Iк max доп ? 25В / 1200 Ом =0.021 А

Рабочая частота транзистора fр > 40 кГц.

По рассчитанным значениям:

1) Iк max доп = 21 мА;2) Pк max доп = 125 мВт;

3) Iкп = 10 мА;4) fр > 40 кГц

Из справочника по полупроводниковым приборам (транзисторам малой мощности) выбираем транзистор n-p-n КТЗ15А со следующими параметрами:

Pк max доп = 150 мВт;fгр = 250 МГц;Uкэ = 25 В;

Iк max = 100 мА; Iкбо = 0.5 мкА; h21э = 30...120 [5].

Рассчитываем значение резистора. Полагаем, что Rэ = (0.1...0.5) Rк; тогда выбираем Rэ = 0.25 * 1.2 кОм = 0,3 кОм.

Для определения рабочей точки транзистора и уточнения значений тока и напряжения покоя на статических входных и выходных характеристиках биполярного транзистора с ОЭ (рисунок 2 и 3) строим нагрузочную прямую на выходных характеристиках

Iк = f (Uкэ).

Нагрузочная прямая на выходных характеристиках строится в режимах холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ). Для выходной цепи транзистора (коллектор-эмиттер) по второму закону Кирхгофа

Uп = Iк Rк + Uкэ

В режиме ХХ Iк = 0, при этом Uкэ = Uп = 25 В.

В режиме КЗ Uкэ = 0, при этом

Iк = Uп / Rк=25В/1200 Ом=0.021 А .

На выходных характеристиках откладываем точку E, соответствующую режиму ХХ, и точку D, соответствующую режиму КЗ. Через точки D и Е проводим нагрузочную прямую, на которой отмечаем точку покоя А по координате тока коллектора покоя Iкп.

Для определения Iкп откладываем Iк min соответствующий Iб min. Iк max соответствует точка пересечения нагрузочной прямой DE и штриховой линии ОС, отделяющей на выходных характеристиках режим насыщения (точка В).

Iкп определяется по формуле

Iкп=( Iк min+ Iк max)/2 = (2 мА + 18 мА)/2 = 10 мА

Рабочей точке А соответствует напряжение Uкэп = 12.5 В.

Мощность рассеяния на коллекторе

Pк = Uкэп ? Iкп = 12.5 В ? 0.010 А = 125 мВт

Согласно справочным данным, для выбранного транзистора КТЗ15А режим работы транзистора по мощности рассеяния допустим. Если этот режим не выполняется, то следует увеличить Pк или уменьшить Uп.

Выполняется расчёт h-параметров транзистора по характеристическим треугольникам в области рабочей точки А - на выходных характеристиках и в области рабочей точки А? - на входных характеристиках. На входные характеристики рабочую точку А переносим по значениям тока базы Iб = 0.4 мА и напряжению Uкэп = 12.5 В [5].

Для построения характеристического треугольника на равных расстояниях от точки А на входных характеристиках откладываются отрезки и обозначаются точки А1 и А2, из которых опускаются перпендикуляры на оси Iб и Uбэ.

Входное сопротивление транзистора

при Uк=const,

= 0.5 кОм (4)



Рисунок 4.2 - Статические входные характеристики биполярного транзистора КТ315 А с ОЭ Iб = f (Uбэ)

Выходная проходимость рассчитывается по отношению приращений ?Iк и ?Uкэ, которые определяются из построенного характеристического треугольника в области рабочей точки на выходных характеристиках А4А5А6:

при Iб=const,

= 10-4 См (5)

Коэффициент обратной связи по напряжению h12э определяется по входным характеристикам при постоянном токе базы для точек А? и А7:

?Uкэ = 15 В ? 12.5 В = 2.5 В; ?Uбэ = 0.05 В;



при Iб = const;

= 0.02 (6)

Рисунок 4.3 - Статические выходные характеристики биполярного транзистора КТ315А с ОЭ Iк = f (Uкэ)

Коэффициент передачи тока базы транзистора определяется по выходным характеристикам для точек А и А8:

при Uкэ=const,

= 30.

По эквивалентной Т-образной схеме замещения транзистора с ОЭ определяются физические параметры (рисунок 4.4) rб , rэ , rк , в.

Рисунок 4.4 - Т-образная схема замещения биполярного транзистора с ОЭ

Коэффициент передачи тока базы в ? h21э ? 30;

(7)

rб = h11э ? h12э(1 + h21э) / h22э = 500 ? 0.02(1 + 30) / 10?4 = 5.7 кОм

(8)

В рассматриваемом усилительном каскаде с ОЭ для стабилизации тока коллектора используется эмиттерная стабилизация. Увеличение тока коллектора, например, при воздействии температуры окружающей среды, приводит к возрастанию тока эмиттера и падению напряжения на резисторе Rэ. Это напряжение (с минусом) подаётся через делитель напряжения Rб1 и Rб2 на базу транзистора, препятствуя возрастанию тока коллектора.

При изменении температуры окружающей среды приращение тока коллектора ?Iк определяется приращением следующих параметров:

(9)

где S - коэффициент нестабильности тока коллектора Iк; ?Uэ - приращение напряжения на эмиттерном переходе; ?h21э - приращение коэффициента передачи по току; Rб - эквивалентное сопротивление базы; ?Iко - приращение обратного тока коллектора.

коэффициент токораспределения в цепи коллектора

,

-;

Подставляя полученное значение г в формулу для определения коэффициента нестабильности

где Е - температурный коэффициент напряжения Uбэ, для кремниевых транзисторов, согласно справочным данным, Е = 2 мВ/град [5].

?Uэ = 2 мВ/град ? (Тmax K ? Тmin K)

2 мВ/град ?[( 273 + 100) K ? (273 + 0) K ] = 200 мВ = 0.2 В.

Изменение коэффициента передачи тока при изменении температуры определяется по зависимостям из справочных данных ?h21э = 29 [5].

Приращение обратного тока коллектора при изменении температуры окружающей среды

(10)

где Т* - температура удвоения тока коллектора; Tо - начальная температура, при которой определялся обратный ток Iко (0°С).

Обратный ток коллектора для транзистора КТ315А берётся из справочника: Iко = 1 мкА [5].

Подставляем рассчитанные значения S, ?Uэ, Rб, ?Iк0, ?h21э в формулу для определения приращения Iк :

=2.16[0.000286А + 1?10-8А + 0.000387А]=0.00145 А = 1.45 мА

Рассчитываем сопротивления делителя напряжения Rб1, Rб2:

Iэ = Iб + Iк,

По шкале номинальных значений сопротивлений принимаем

Rб1 = 3.3 кОм.

Рассчитываем Rб2 по формуле

.

Принимаем Rб2 = 0.470 кОм.

4.3 Расчет усилителя по переменному току

Расчёт по переменному току проводится на основе использования эквивалентной схемы, приведённой на рисунке 4.5 усилительного каскада с ОЭ переменного тока [2].

Rвх ук = Rб1 || Rб2 || Rвх т (11)

Рисунок 4.5 - Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ при переменном токе

Выходное сопротивление усилителя для переменной составляющей

Rвых ук = Rк || Rвых т

Rвых т

Rвых ук =

Коэффициент усиления по напряжению каскада при переменном токе

KU ук= || =

Коэффициент усиления каскада по току

KI ук =

Коэффициент усиления каскада по мощности

KP ук = KI ук? KU ук = 26.8 ? 3.9 = 104.5

Ёмкость разделительного конденсатора Cр1 определяется по следующей зависимости:

, где

Емкость конденсатора Cp2 определяется следующим образом:



Приниаем,

Рассчитываем емкость конденсатора

,

где Rб = Rб1 || Rб2 (12)

Принимаем Cэ = 350 мкФ.

Верхняя предельная частота транзистора КТЗ15А определяется по следующей зависимости:

,

,

где Kб - коэффициент в цепи отрицательной обратной связи, учитывающий ответвление тока коллектора в базу; фквч - постоянная времени, учитывающая нарастание тока коллектора на высокой частоте;



фквч = h21э ? ( Rн || Rк) ? Ск + фк

где фк - постоянная времени цепи обратной связи на предельной частоте для транзистора КТЗ15А, значение которой указано в справочнике по полупроводниковым приборам (транзисторам), фк = 300 пс; Cк - ёмкость коллекторного перехода (справочные данные) Cк = 7 пФ [5].

Рассчитываем

Подставляем полученные значения Kб и фквч в формулу определения щв:

Принципиальная электрическая схема с указанием рассчитанных номиналов элементов приведена на рисунке 4.6.



Рисунок 4.6 - Принципиальная электрическая схема усилителя с рассчитанными значениями номиналов элементов

биполярный транзистор эмиттер

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были рассмотрены устройство и принцип действия биполярного транзистора. Его схемы включения и режимы работы.

При проектировании усилительного каскада учитываются не только входные и выходные характеристики и рабочие частоты, но и режим работы транзистора.

В результате выполнения курсового проекта был произведен расчет и анализ усилительного каскада на биполярном транзисторе. По рассчитанным току коллектора, мощности транзистора, верхней рабочей частоте и напряжению были выбраны тип транзистора и определены статические входные и выходные характеристики.

Кроме того, были определены номинальные значения сопротивлений и емкостей конденсаторов принципиальной электрической схемы усилительного каскада.

Список использованных источников

1. Пасынков, В.В. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов [Текст] / В.В. Пасынков. - М.: Высшая школа, 1981. - 431с.

2. Волощенко, Ю.В. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / под ред. Г.Д. Петрухина [Текст] / Ю.В. Волощенко. - М.: МАИ, 1993. - 416 с.

3. Цыкин, Г.С. Усилители электрических сигналов [Текст] / Г.С. Цыкин. - М., Энергия, 1969. - 384с.

4. Забродин, Ю.С. Промышленная электроника [Текст] / Ю.С. Забродин. - М., Высшая школа, 1982. - 496с.

5. Горюнова, Н.Н. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. [Текст] / Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 744с.

Размещено на Allbest.ru

...