Выбор положения рабочей точки

 

Расчет параметров графоаналитическим способом основан на использовании нелинейных статических характеристик. В первую очередь на семействе выходных характеристик (рис. 3) проводим нагрузочную линию, используя уравнение для коллекторной цепи

 

 

Полагая U_кэ = 0 В, получим

 

 

где R_общ = R_к + R_э - суммарное сопротивление в выходной цепи транзистора.

Полагая I_к = 0, имеем U_кэ = E_п=6 В.

Так как R_общ пока неизвестно, используем две точки (рисунок 3): точку А с координатой (Е_п, 0) и выбранную по некоторым соображениям точку Р.

Положение точки Р нужно выбрать из следующих соображений:

а) точке Р соответствует значение тока I_кр  1,2I_им 13,4мА и значение напряжения U _кэр  (U_вых.+U_ост)=3+1=4 В,

где I_кр - постоянная составляющая тока коллектора;

I_им - амплитуда переменной составляющей тока коллектора (тока нагрузки);

U_кэр - постоянная составляющая напряжения коллектор-эмиттер.

U_ост маломощных транзисторов принимается ориентировочно равным 1В.

б) точка Р должка располагаться в области значений токов и напряжений, не попадающих в верхнюю область, ограниченную кривой Р_км (рисунок 3).

Определив координаты точки Р проводим на семействах выходных характеристик нагрузочную прямую и определяем значение тока базы I_бр, соответствующее выбранному значению тока коллектора I_кр: I_бр =0,6 мА. Определяем значения токов I_км и I_к.min:

 

I_км = I_кр+ I_им=15+7,5=22,5 мА,

I_к.min =I_кр -I_им=15-7,5=7,5 мА,

 

где I_нм - амплитуда переменной (синусоидальной) составляющей тока нагрузки.

 

Откладывая по оси токов значения I_км, I_к.min находим на нагрузочной линии точки, которым соответствуют значения токов базы I_бм=0,9 мА, I_б.min=0,3 мА и значения напряжений U_кэм=5,2 В, U_кэ.min=3,4 В. Амплитуду синусоидальной составляющей напряжения коллектор-эмиттер находим из соотношения:

 

 

1.4 Расчет параметров элементов схемы

 

1. Определяем значения сопротивлений R_к и R_э.

кОм,

 

где I_КЗ - ток, определяемый по точке пересечения прямой с осью токов.

Принимая R_э=(0,l¸0,15)R_к, находим

 

 Ом,

 

R_э=R_общ-R_к=15,7Ом.

2. Находим сопротивления резисторов R_l, R₂. С целью уменьшения влияния делителя напряжения R_l R₂ на входной сигнал обычно выбирают

 

 

где R_вх- входное сопротивление по переменному току

 

 Ом.

Значения U_вхм и I_вхм определяются по входной характеристике

Значение сопротивления резистора R₁ можно определить из соотношения

 

 кОм,

 

полученного из уравнения напряжений для контура цепи: общая точка – R_э -эмиттерный переход – R₂ - общая точка в предположении, что U_эб <<E_п, а . Из последнего

соотношения можно находим значение сопротивления резистора R₂=127 Ом.

3. Определяем емкость конденсаторов С_р и С_э:

 

мкФ,

мкФ,

 

где: f_H - нижняя частота полосы пропускания, Гц;

М_н - коэффициент частотных искажений а области низких частот (принимаем М_н=1,2 для упрощения).

 

1.5 Расчет параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе

 

Используя графики входной и выходных характеристик, можно найти параметры усилительного каскада:

а) Коэффициент усиления по напряжению

раз;

б) Коэффициент усиления по току

 

раз;

 

Исследовать зависимость коэффициента усиления К_ус от частоты для усилителя.

1) Без конденсатора.

Таблицы для графика:

 

f,Гц*103	0,14		0,2		0,25		0,3		0,4		0,6		0,8		1		1,2
Кус	8,64		8,54		8,7		8,57		8,5		8,67		8,39		8,83		8,83
f,Гц*103		1,4		1,8		2		4		10		15		20		30
Кус		8,83		8,83		9		9		9		9		9		9,67

 

f,Гц*103	40	60	80	100	120	160	180	200
Кус	8,79	8,75	9,33	9	9	8,93	8,89	8,85

 

2) C конденсатором

Таблицы для графика:

 

f,Гц*103	0,14	0,2	0,25	0,3	0,4	0,6	0,8	1
Кус	12,31	14	15,88	19,41	24,12	33,53	43,53	49,51

 

f,Гц*103	1,2	1,4	1,8	2	4	10	20	30
Кус	52,94	56,47	66,67	69,33	75	80	84,29	89,23

 

f,Гц*103	40	60	80	100	120	160	180	200
Кус	83,08	88	80	75	74,29	66,67	60	56,57

 

График 2. Зависимость Кус от f с конденсатором (сверху) и без конденсатора (снизу)

Вопрос 3 Схемы включения транзисторов.

Схемы включения транзисторов получили своё название в зависимости от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепи.

1) Схема включения с общей базой ОБ

2) Схема включения с общим эмиттером ОЭ

3) Схема включения с общим коллектором ОК

Схема включения с общей базой (смотрите рисунок 64). Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

- коэффициент усиления по току Iвых/Iвх (для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1])

- входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Недостатки схемы с общей базой:

 Схема не усиливает ток α<1

 Малое входное сопротивление

 Два разных источника напряжения для питания.

Достоинства – хорошие температурные и частотные свойства.

Схема включения с общим эмиттером. Эта схема, изображенная на рисунке 66, является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности.

  Iвх = Iб

Iвых = Iк

Uвх = Uбэ

Uвых = Uкэ

β = Iвых / Iвх = Iк / Iб (n: 10ч100)

Rвх.э = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб [Ом] (n: 100ч1000)

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц.

 Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база - эмиттер Uбэ, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что то же самое, между коллектором и эмиттером – Uкэ. Напряжение база - эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Ек достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало (от 100 до 1000

Ом). Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

 Достоинства схемы с общим эмиттером:

 Большой коэффициент усиления по току

 Бульшее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление

 Для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практикеобходиться одним источником питания.

 Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Однако за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.

Схема включения с общим коллектором.

Iвх = Iб

Iвых = Iэ

Uвх = Uбк

Uвых = Uкэ

Iвых / Iвх = Iэ / Iб = (Iк + Iб) / Iб = β + 1 = n

n = 10 … 100

Rвх = Uбк / Iб = n (10ч100) кОм

 В схеме с ОК (смотрите рисунок 67) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база - эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз (так же, как и в схеме ОЭ), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам.

Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между Uвых и Uвх нет. Значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем и изображают схему так, как показано на

рисунке 68.

 Эмиттерным – потому, что резистор нагрузки включен в провод вывода эмиттера и выходное

напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет

собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК состав-

ляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление

схемы с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или

сотни ом. Эти достоинства схемы с ОК побуждают использовать её для согласования различных устройств по входному сопротивлению.

 Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение – коэффициент усиления чуть меньше 1.

  Усилительные свойства биполярного транзистора. Независимо от схемы включения, транзистор характеризуется тремя коэффициентами усиления:

 KI = Iвых / Iвх – по току;

 KU = Uвых / Uвх = (Iвых ∙ Rн) / (Iвх ∙ Rвх) = KI ∙ Rн / Rвх – по напряжению;

 KP = Pвых / Pвх = (Uвых ∙ Iвых) / (Uвх ∙ Iвх) = KI∙KU – по мощности.

Для схемы с общей базой:

KI = Iк / Iэ = α (α<1)

 KU = α ∙ (Rн / Rвх)

Rн ≈ n ∙ 1кОм

Rвх ≈ n ∙ 10 Ω

KU ≈ n ∙ 100

KP = KU / KI = n ∙ 100

Для схемы с общим коллектором:

KI = Iэ / Iб = β + 1 = n

KU = β ∙ (Rн / Rвх) ≈ n

KU < 1

Для схемы с общим эмиттером:

KI = Iк / Iб = β = n (10ч100)

KU = β ∙ (Rн / Rвх)

KP = KI ∙ KU = n ∙ (1000ч10000)

Вопросы для контроля:

1. Что такое усилитель?

2. Классификация, параметры и назначение усилителей.

3. Усилительный каскад, схема, назначение элементов, параметры, расчетные формулы.

4. Описать работу однокаскадного усилителя низкой частоты.

5. Особенности схемы включения транзисторов ОБ, основные характеристики.

6. Особенности схемы включения транзисторов ОЭ, основные характеристики.

7. Особенности схемы включения транзисторов ОК, основные характеристики.

8. Составить сравнительную таблицу характеристик схем включения транзисторов.

Домашнее задание:

Изучить и дополнить конспект.

Ответить на вопросы