Расчёт параметров транзистора

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ) 13

этим точкам, даст намΔUКЭ=UКЭ4−UКЭ3, а разность соответвующих

значений тока — изменение  тока коллектора(ΔIК=IК4−IК3).

Типовые значенияh–параметров для биполярных транзисторов

находятся в следующих  пределах [2]:

h11 h12 h21 h22

10

3

. . .10

4

Ом 2∙10

−4

. . .2∙10

−3

20. . .200 10

−5

. . .10

−6

См

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ)

1.2.1. Усилители

Усилительэто устройство, преобразующее сигнал малой мощно-сти в сигнал большей мощности за счёт энергии источника питания.

Именно увеличение мощности выходного сигнала, по сравнению

с мощностью входного, является характерной особенностью усилите-ля и отличает его от других преобразующих устройств, в которых

изменяется либо напряжение, либо электрический ток, а мощность

остаётся постоянной (точнее уменьшается, т. к. КПД любого устрой-ства меньше единицы). Примером такого устройства может служить

повышающий трансформатор, преобразующий входное напряжение в

более высокое выходное, при этом мощность выходного сигнала, за

счёт потерь, будет ниже, чем мощность входного.

Рис. 1.11.Обобщённая структурная  схема многокаскадного усилителя

Применяемые на практике усилители  являются достаточно слож-ными устройствами, которые содержат в себе несколько усилительных

каскадов, обеспечивающих не только усиление входного сигнала, но

и согласование с источником и нагрузкой.

Усилительный каскадэто минимальный функциональный блок,

обеспечивающий усиление сигнала. Обычно в его состав входят один

или несколькоусилительных элементов(электронный прибор, обес-печивающий усиление сигнала –– транзистор или электронная лампа),

цепи обратной связи, элементы обеспечивающие режим по постоян-ному току, и т. д.

14 1. Теоретическое введение

На рис.1.11 приведена обобщённая структурная схема много-каскадного усилителя. В общем случае усилитель состоит из входно-го каскада (с коэффициентом усиления КВХ), одного или нескольких

каскадов предварительного усиления (КПУ1. . . КПУn), и выходного кас-када (КВЫХ).

Основной задачей входного и выходного каскадов является со-гласование усилителя с источником сигнала и нагрузкой, обычно это

делается с целью получениясогласованного режима работы цепи

3

.

Каскады предварительного усиления обеспечивают необходимый уро-вень усиления сигнала. Если необходимый уровень выходного сигнала

нельзя получить с помощью  одного каскада, то ставят дополнительные,

в количестве, обеспечивающем требуемый коэффициент усиления.

Важнейшей величиной, характеризующей  усилительный каскад,

являетсякоэффициент усиления, равный отношению уровня выход-ного сигнала к уровню входного. Различают три коэффициента уси-ления –– коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:

КU=

UВЫХ

UВХ

, К

I =

IВЫХ

IВХ

, КP=

PВЫХ

PВХ

=

IВЫХUВЫХ

IВХUВХ

=КUКI

Исходя из определения  усилителя (стр.13) любой усилитель  уве-личивает мощность входного сигнала, и значит основным коэффици-ентом усиления должен быть коэффициент усиления по мощности,

однако при проектировании усилителей акцент ставится на усиление

одной из трёх величин, поэтому  различают усилители напряжения,

тока и мощности. Обычно информация в электронных устройствах

передаётся путём изменения  уровня напряжения, поэтому в литера-туре наиболее распостранён КU, и, в ряде случаев, он принимается за

определение коэффициента усиления вообще.

При расчёте коэффициента усиления многокаскадного усилителя

соответствующие коэффициенты усиления каскадов перемножаются:

КU=КU1∗КU2∗. . .∗КUn

Помимо коэффициента усиления, в широко используются ампли-тудно–частотная (АЧХ) и амплитудная характеристики усилителя.

3

В согласованном режим  работы выходное сопротивление источника  сигнала равно вход-ному сопротивлению  нагрузки (например выходное сопротивления источника сигнала и

входное сопротивление входного каскада). В этом случае обеспечивается максимальная

мощность, но КПД будет  равен50 %, поэтому согласованный  режим, в основном, использу-ется в маломощных радиоэлектронных цепях, работающих со слабыми сигналами.

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ) 15

Амплитудно–частотная характеристика (АЧХ)(рис. 1.12)

показывает зависимость  коэффициента усиления от частоты.

Рис. 1.12.Амплитудно–частотная характеристика усилителя

Для анализа АЧХ усилителя  наибольший интерес представляет

участок, на котором коэффициент  усиления практически не зависит

от частоты и обозначается КСР. Этот участок ограничен в  области

низких частотнижней граничной частотойfН, а в области высо-ких —верхней граничной частотой fВ (рис. 1.12). Значения fНи

fВопределяются величинойкоэффициента частотных искажений,

равного отношению коэффициента усиления на средней частоте (fСР),

к коэффициенту усиления на нижней (fН) или верхней (fВ) частоте:

M=

KUСР

KUН

илиM=

KUСР

KUВ

.

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений

не превышают величину

√

2.

Частоты меньшеfНи вышеfВобразуют области частотных иска-жений и не используются в работе усилителя.

Полоса пропускания усилителяΔf, характеризует диапазон ча-стот, на котором коэффициент искаженийMне превышает допусти-мые значения и равен разности между верхней и нижней частотами

усилителя:

Δf =fВ−fН

В зависимости от величинfНиfВусилители делятся на:

1.Усилители медленно изменяющихся  сигналов(или усилите-ли постоянного тока, УПТ) – у них нижняя частота АЧХ мала

и приближается к0 (fН→0)а верхняя частота может достигать

10

3

. . .10

8

Гц.

16 1. Теоретическое введение

2.Усилители низкой частоты(УНЧ) – нижняя частота равна

десяткам герц, верхняя  достигает сотен килогерц (для  усили-телей звуковой частоты(УЗЧ) —fВ= 15. . .20 000Гц).

3.Усилители высокой частоты(УВЧ) – диапазон частот начи-нается от сотен килогерц и простирается до десятков и сотен

мегагерц.

4.Широкополосные усилители(ШПУ) – усиливают частоты от

десятков герц до сотен  мегагерц (в основном применяются  в

импульсной технике).

5.Узкополосныеилиизбирательные  усилители– применяются

для усиления сигналов в узком  диапазоне частот (в идеале уси-ливается одна частота).

Рис. 1.13.Амплитудная

характеристика усилителя

Амплитудная характеристи-ка усилителя(рис. 1.13) характери-зует зависимость выходного напряже-ния от входного на средних частотах.

При отсутствии входного сигна-ла (UВХ = 0)на выходе имеется

напряжениеUШ, обусловленное вну-тренними шумами усилителя. Мини-мальное входное напряжение долж-но быть не менее чем в 2. . . 3 ра-за больше уровня внутренних шумов

(UВЫХ(UВХmin) >(2. . .3)UШ). Прямо-линейный участокABявляется рабо-чим. УчастокBCобусловлен нелиней-ностью усилительных элементов при высоком уровне сигнала.

Таким образом, при уровне входного сигнала меньшеUВХminмы не

сможем отличить полезный сигнал от помех, а в случаеUВХ>UВХmax

выходной сигнал будет  иметь нелинейные искажения.

1.2.2. Усилительный каскад  с ОЭ

Усилительный каскад с  общим эмиттером (рис.1.14) является

одним из самых распостранённых и применяется в каскадах предва-рительного усиления многокаскадных усилителях.

Название схемы «с общим  эммитером» означает, что вывод эмит-тера является общим для входной и выходной цепи. В этом случае

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ) 17

вывод эмиттера называется общим (обозначается знаком «⊥», также

используется термин «земля»), а все потенциалы измеряются относи-тельно него.

Усилительный каскад с  общим эмиттером работает следующим

образом:

1. При увеличении входного  напряжения(UВХ↑)ширинаp−nпе-рехода между коллектором и базой уменьшается, в результате

возрастает ток в цепи эмиттера (IЭ↑, см. рис. 1.3), а выходное

сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером)

уменьшается(RВыхТр↓), а следовательно уменьшается и падение

напряжения на выходе транзистора(IЭRВыхТр=UВых↓).

2. При уменьшении входного  напряжения(UВХ↓)ширинаp−nпе-рехода между коллектором и базой увеличивается, в результате

чего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ↓, см. рис. 1.3), а вы-ходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмит-тером) увеличивается(RВыхТр↑), следовательно увеличивается и

падение напряжения на выходе транзистора(IЭRВыхТр=UВых↑).

Рис. 1.14.Усилительной

каскад с общим

эмиттером

Таким образом, усилительный каскад с

общим эмиттером сдвигает фазу выходного

сигнала, относительно входного, на180

о

.

Характер изменения выходного  напряже-ния, при изменении входного от минимально-го до максимального, определяетсястатиче-ской нагрузочной характеристикой:

EК=UКЭ+RКIК

или

UКЭ=EК−RКIК

Это выражение получено на основе II за-кона Кирхгофа (рис. 1.14) и из него хорошо видна роль резистора

RК–– фактически он определяет характер изменения выходного сигна-ла, а при его отсутствие(RК= 0), напряжение на выходе усилителя

будет определятся исключительно источником питания:

EК=UКЭ.

При(RК6= 0), падение напряжения на RКбудет зависеть от ве-личины тока коллектораIК, связанного с величиной тока базы коэф-

18 1. Теоретическое введение

фициентомβ: IК=βIБ. Отсюда следует, что напряжение на выходе

каскада будет по форме  повторять напряжение на входе.

Статическая нагрузочная  характеристика определяет закон из-менения выходного сигнала и строится на выходной характеристике

транзистора. Эта характеристика является прямой линией, для по-строения которой достаточно двух точек, например точек её пере-сечения с осями. Выходная характеристика транзистора показывает

зависимостьIКотUКЭ, поэтому рассмотрим значения нагрузочной ха-рактеристике приIК= 0(точкаc) иUK= 0(точка <d») (рис.1.15):

UКЭ=EК|

IК=0

IК=

EК

RКUКЭ=0

Величина ЭДС источника  питанияEКвыбирается несколько мень-ше максимально допустимого напряжения на коллекторе, задаваемого

в характеристиках транзистора, в пределахEК= (0,7. . .0,9)UКЭmax

ВеличинаRКвыбирается из условия передачи максимальной мощ-ности (согласованного режима):RК≈RВыхТр= 1/h22, что для бипо-лярного транзистора составит0,5. . .10кОм.

Характер нагрузочной  характеристики и коэффициент усиления,

при заданной ЭДС источника  питания EК, определяется величиной

нагрузочного резистораRК, обеспечивающего необходимый уровень

падения напряжения на выходе каскада и ограничивает ток коллектора.

Рис. 1.15.Нагрузочная

характеристика

Рис. 1.16.Нагрузочная характеристика с

ограничениями (штриховкой выделена

область с недопустимыми  значениями

выходного сигнала)

1.2. Усилительной каскад  с общим эмиттером (ОЭ) 19

Положение точекс иdограничено максимально допустимыми

значениями тока (IКmax), напряжения (UКЭmax) и мощности (PКmax),

которые приведены в справочных данных транзистора (рис.1.16).

Нагрузочная характеристика является основой графоаналитиче-ского метода расчёта усилительного каскада.

1.2.3. Режим работы по  постоянному току

Режим работы по постоянному  току является важнейшей харак-теристикой усилительного каскада и характеризует его работу при

отсутствии в напряжение на входе усилительного каскада переменной

составляющей, которая и  является усиливаемой величиной.

Режим работы по постоянному  току характеризуется положением

рабочей точки–– точки  на нагрузочной характеристике, соответствую-щей нулевому уровню переменной составляющей входного напряжения.

На рисунке1.15мы видим, что нагрузочная линия, как и выход-ные характеристики транзистора, находятся с одной стороны от оси

UКЭ, следовательно на выходе усилительного каскада будет сигнал од-ной полярности, а составляющие противоположной полярности будут

утеряны.

Положение рабочей точки  определяется величиной и знаком по-стоянной составляющей входного напряжения напряженияUБЭ0. Если

входное напряжение меняется по закону синуса, то получим следую-щее выражение:

u=UБЭ0+UБЭmsinωt

В зависимости от положения  рабочей точки на нагрузочной  ха-рактеристике различают три класса усилителей:

Класс «А»(рис.1.17,б) –– режим, при котором напряжение в вы-ходной цепи изменяется в течении всего периода входного сигнала. В

этом случае рабочая точка  находится посредине участка  нагрузочной

характеристики, соответствующего линейному участку характеристик

транзистора а входной и выходной сигналы являютсяпульсирующи-ми

4

. Отсюда следует, что  при нулевом сигнале на входе  (напомним,

что входным сигналом для  нас является переменная составляющая),

напряжение на выходе будет  равноUКЭ0. Отсюда следует, что при

нулевом сигнале на входе, напряжение на выходе будет равноUКЭ0.

4

Пульсирующийсигнал меняется только по величине, знак остаётся постоянным, т.е.

это сигнал одной полярности.

20 1. Теоретическое введение

Рис. 1.17.Режимы работы усилителя

а–– входной сигнал;

б–– класс А;

в–– класс B;

г–– класс C;

Следует обратить внимание на

то, что в связи с  нелинейностью

характеристик транзистора  в обла-сти низких значений тока коллекто-ра, максимальное амплитудное зна-чение выходного сигнала(UКЭm)бу-дет несколько меньшеUКЭ0.

Достоинством класса А явля-ются малые нелинейные искаже-ния, однако КПД каскада η =

=P∼/P0 (P∼–– выходная мощность,

P0–– мощность, потребляемая  от ис-точника питания) мал ––0,5.