С общим эмиттером

Содержание

Усилительный каскад с общим эмиттером

Для анализа процессов, происходящих в усилителе и вывода расчетных соотношений определяющих параметры усилителя, необходимо представление усилителя в виде эквивалентной схемы. Это позволяет провести вывод расчетных соотношений и расчет параметров усилителя (коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности Kr; входное Rвх и выходное Rвых сопротивления).

Рис. 12.1. Принципиальная и эквивалентная схема усилителя с ОЭ и эмиттерной стабилизацией

В эквивалентной схеме связи между элементами показаны для цепей протекания переменного тока. Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. При таком подходе считаем, что сопротивления всех емкостей в схеме пренебрежимо малы в рабочей полосе частот и представляют собой короткое замыкание. При этом из рассмотрения также исключается Rэ, а сопротивления R1 и R2, а также Rк и Rн включены попарно параллельно друг другу, поскольку сопротивление источника питания близко к нулю. Для уменьшения этого сопротивления в схеме дополнительно возможно включение блокировочного конденсатора, сто позволяет локализовать токи транзистора в пределах одного каскада усиления и повысить устойчивость усилителя. Биполярный транзистор представлен рассмотренной выше трехточечной схемой замещения.

Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внутренним сопротивлением Rг.

Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схеме объемным сопротивлением активной области базы rб, составляющим единицы–сотни Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением rэ, лежащим в пределах единиц–десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением rк, составляющим сотни кОм.

Из эквивалентной схемы можно получить следующие соотношения :

1) значение Uвых определяется выражением , где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе со входным напряжением. Ток базы определяется выражением

, (12.1)

тогда

. (12.2)

2)Выходное сопротивление усилительного каскада определяется параллельным включением сопротивления Rк и выходным сопротивлением самого транзистора, близким по величине к rк. Обычно , и считается, что выходное сопротивление определяется величиной резистора ( ) и составляет единицы кОм.

В идеальном усилителе напряжения ( ), который работает в режиме холостого хода ( ), коэффициент усиления будет максимальным и равным:

. (12.3)

3) Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление

параллельного соединения резисторов R1, R2 и сопротивления входной цепи транзистора rвх

Сопротивление входной цепи транзистора определяется как . Учитывая, что через сопротивление rб протекает ток Iб, а через сопротивление rэ – ток получим

. (12.4)

Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением

(12.4)

Значение Rвх для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.

Если резистор Rэ в схеме не зашунтирован по переменному току конденсатором Сэ, то последовательно с rэ в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротивление Rэ. Входное сопротивление в этом случае определяется выражением

. (12.6)

Очевидно, что при исключении Сэ в усилителе возникает отрицательная обратная связи по переменному току, которая увеличивает входное сопротивление усилительного каскада уменьшает его уилени е до величины порядка 2-5. Включение низкоомного делителя R1, R2, улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.

4) Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке Iн ко входному току Iвх .

Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями

; . (12.7)

Подставив полученные соотношения в выражение для коэффициента усиления по току, получим

. (12.8)

В идеальном усилителе тока ( ), который работает в режиме короткого замыкания ( ), имеем .

При работе усилителя в области НЧ сопротивления конденсаторов , на низких частотах возрастают, что приводит к потере сигнала на емкостных сопротивлениях и уменьшению коэффициента усиления. Одновременно и возрастают частотные искажения сигнала

5)Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором определяется следующим выражением:

(12.9)

где – постоянная времени входной цепи усилительного каскада. Для Ср2 коэффициент частотных искажений определяется выражением

(12.10)

где . (12.11)

Величина Сэ также оказывает существенное влияние на величину Ku

в области НЧ С уменьшением частоты емкостное сопротивление Cэ возрастает, что приводит к росту вляиния отрицательной обратной связи и уменьшению усиления.

На ВЧ существенное влияние оказывают только частотные свойства самого транзистора, в частности, величина его емкости C к, которая включена параллельно нагрузке и с ростом частоты уменьшает полное сопротивление нагрузки усилителя.

> Москатов Е. А. Книга «Электронная техника. Начало»

4. Биполярные транзисторы

4.1. Общие сведения о транзисторах

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые располагают не менее чем тремя выводами и в определённых обстоятельствах могут усиливать мощность, преобразовывать сигнал, или генерировать колебания. Различных видов транзисторов много – это полевые (униполярные) и биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и однопереходные (двухбазовые) транзисторы, фототранзисторы и другие.

Усилительные каскады, выполненные на транзисторах, требуют небольшого напряжения питания величиной всего в несколько вольт, а КПД может достигать нескольких десятков процентов. Транзисторы по сравнению с электронными лампами обладают большей экономичностью, низким энергопотреблением, длительным временем наработки на отказ, малой массой и габаритами, высокой механической прочностью. К недостаткам транзисторов следует отнести невысокую радиационную стойкость, невозможность работы при температуре полупроводникового кристалла из кремния значительно выше 125 °C и прочее.

Транзисторы классифицируют по материалу полупроводника, подразделяя на германиевые, кремниевые, из арсенида галлия и прочие.

Биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют дырочный тип проводимости, называют транзисторами с прямой проводимостью, или структуры p-n-p. А биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют электронный тип проводимости, называют транзисторами с обратной проводимостью, или структуры n-p-n.

Рассматриваемые приборы, которые не способны усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, называют низкочастотными транзисторами. Приборы, которые могут усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, но менее 30 МГц, называют среднечастотными транзисторами. А транзисторы, которые допускают усиление сигнала с частотой, превышающей 30 МГц, называют высокочастотными, а позволяющие работать на ещё большей частоте (выше 300 МГц) называют сверхвысокочастотными.

Если компоненты не могут обеспечить мощность рассеяния, превышающую 0,3 Вт, то такие транзисторы называют маломощными. Приборы, которые имеют рассеиваемую мощность более 0,3 Вт, но менее 3 Вт, называют транзисторами средней мощности. А транзисторы, мощность рассеяния которых превышает 3 Вт, называют мощными транзисторами.

4.2. Конструкция некоторых биполярных транзисторов

Для изготовления дискретного биполярного транзистора необходим полупроводник электронного или дырочного типов проводимости, именуемый, как и вывод от него, базой, который, например, методом сплавления или диффузии легируют акцепторными примесями так, чтобы по обе стороны от базы были выполнены зоны с противоположными типами проводимостей. Это отражено на упрощённой конструкции сплавного биполярного транзистора, приведённой на рис. 4.1.

На рисунке цифрами обозначены: 1 – коллектор; 2 – база транзистора, например, образованная кристаллом германия или кремния; 3 – основание компонента; 4, 5 – вплавленные в кристалл примеси, например, индия или алюминия; 6 – кристаллодержатель; 7 – эмиттер. Кристалл полупроводника, образующий базу транзистора, в данном случае механически прикреплён и электрически соединён с металлической пластинкой, приваренной к стенке компонента. Толщина базы обычно не превышает нескольких микрон. На рисунке видно, что эмиттерная область имеет меньшую площадь, чем коллекторная. Между базой и коллектором лежит коллекторный переход, а между базой и эмиттером – эмиттерный переход. В области базы транзистора концентрация носителей заряда чрезвычайно низка, а, следовательно, её проводимость очень мала. В области коллектора концентрация и проводимость намного больше, чем в области базы, а в области эмиттера несколько выше, чем в области коллектора. Таким образом, концентрации носителей зарядов в областях транзисторов существенно отличаются.

Усиление или генерация колебаний транзисторами связана с инжекцией носителей зарядов обоих типов. Те компоненты, в которых перемещение носителей зарядов возникает по большей части за счёт диффузии, называют диффузионными транзисторами, а если за счёт дрейфа – то дрейфовыми транзисторами.

В диффузионных транзисторах неосновные носители заряда проходят область базы за счёт теплового движения. Чтобы диффузионный транзистор мог обладать высокой граничной частотой усиления, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, однако в результате этого её сопротивление будет велико. Если попробовать увеличить её проводимость благодаря легированию, то возрастёт ёмкость коллекторного перехода, что ухудшит частотные свойства транзистора.

В дрейфовых транзисторах создают такое неравномерное распределение примесей в области базы, чтобы концентрация примеси в зоне прилегания базы к эмиттеру была ориентировочно от 2-х до 4-х порядков выше, чем в зоне прилегания базы к коллектору. Благодаря этому неосновные носители заряда будут быстрее преодолевать базу под действием укоряющего поля коллекторного перехода, что позволяет дрейфовым транзисторам иметь более высокую граничную частоту усиления сигнала, чем диффузионным транзисторам. А сопротивление области базы мало даже при небольшой её толщине благодаря легированию места прилегания базы к эмиттеру. Некоторые дрейфовые транзисторы предназначены для усиления и генерации СВЧ сигналов и могут работать на частотах в несколько десятков гигагерц.

4.3. Принцип действия биполярных транзисторов

Изучим принцип усиления биполярного транзистора, для чего обратимся к рисунку 4.2, на котором изображено движение носителей заряда в транзисторе p-n-p структуры, включённом по схеме с общей базой. На нём протяжённости областей отражены без соблюдения масштаба и реальных размеров.

На рисунке знаком плюса, обведённого в кружок, показаны дырки, а знаком обведённого в кружок минуса – электроны. В связи с тем, что в работе компонента участвуют и электроны, и дырки, такой транзистор именуют биполярным. Выводы база-эмиттер транзистора будем считать входом каскада, а выводы база-коллектор – его выходом.

Благодаря включению двух источников питания переход база-коллектор закрыт, а переход база-эмиттер открыт. Из-за этого по переходу база-эмиттер будет течь эмиттерный ток, порождённый движением преимущественно электронов. Он течёт по цепи от положительного полюса источника питания база-эмиттер, по резистору R1, от области эмиттера транзистора к области базы, а затем к отрицательному полюсу этого же источника питания. Резистор R1 символизирует внутреннее сопротивление источника сигнала. Направление протекания тока символически стрелками отражено на рисунке. Эффективность инжекции характеризует коэффициент инжекции. В данном случае он равен отношению тока эмиттера, вызванного движением только основных носителей заряда, к полному току эмиттера, обусловленному миграцией и дырок, и электронов. Область базы обогащается инжектируемыми носителями заряда, которые в области эмиттера были основными, а в области базы стали неосновными. Поле коллекторного перехода является ускоряющим для попавших в область базы носителей зарядов, и это поле их втягивает в коллекторный переход. Происходит их рекомбинация с основными носителями заряда области базы. Однако она незначительна в связи с тем, что толщина области базы много меньше, чем двух других областей, и электроны почти беспрепятственно преодолевают область базы и оказываются в области коллектора, в которой они вновь станут основными носителями заряда. Успевшие рекомбинировать электроны вызывают протекание небольшого тока через вывод базы транзистора, который называют рекомбинационным. Рекомбинация некоторого количества носителей заряда в области базы происходит постоянно до тех пор, пока каскад не будет обесточен, так как электроны будут всё время поступать от положительного полюса источника питания база-эмиттер. Обогащение области коллектора носителями заряда, которые в ней будут основными, приводит к протеканию коллекторного тока транзистора. Он течёт по цепи от положительного полюса источника питания база-коллектор, по области базы, затем по области коллектора, по нагрузочному резистору R2, к отрицательному полюсу источника питания. Очевидно, что даже незначительное изменение напряжения база-эмиттер вызывает существенно большее изменение напряжения база-коллектор и, отдавая небольшую мощность управляющего сигнала, поданного на базу транзистора, можно управлять многократно большей мощностью нагрузки. Следовательно, рассматриваемый каскад может осуществить усиление сигнала по напряжению. Ток эмиттера транзистора при любом варианте включения последнего равен сумме токов коллектора и базы.

Амплитуду тока коллектора транзистора можно вычислить по формуле:

Iк = Iэ • h21б + Iкбо,

где Iэ – ток эмиттера, А;

h21б или α – дифференциальный коэффициент передачи тока, который поступает в коллектор из эмиттера. Он равен отношению изменения тока коллектора к изменению тока эмиттера при фиксированных значениях температуры, напряжения база-коллектор и прочего: h21б = ΔIк / ΔIэ.

Iкбо – обратный ток коллектора транзистора, А.

Кроме того, ток коллектора транзистора допустимо найти согласно выражению:

Iк = Iб • h21э + Iкэо,

где Iб – ток базы, А;

h21э или β – это дифференциальный коэффициент передачи тока базы, соответствующий включению транзистора по схеме с общем эмиттером. Коэффициент h21э равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока базы: h21э = ΔIк / ΔIб;

Iкэо – обратный ток коллектора при включении транзистора по схеме с общим эмиттером, А.

Коэффициенты h21э и h21б связаны друг с другом соотношением:

h21э = h21б / (1 – h21б).

Рассмотренный дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока h21б относят к одному из основных параметров транзистора. Коэффициент передачи тока эмиттера в описанном каскаде близок к единице и h21б обычно составляет от 0,94 до 0,999. Это означает, что усилительный каскад с транзистором, включённым по схеме с общей базой, не даёт усиления по току. Коэффициент усиления сигнала по мощности равен произведению коэффициентов усилений сигнала по току и по напряжению. Следовательно, данный каскад даёт чуть меньшее усиление по мощности, чем по напряжению.

Для усиления сигналов любые транзисторные каскады тратят энергии источников питания, к которым подключены, и при этом всегда теряют часть энергии, и мощности потерь вызывают тепловыделения в компонентах.

4.4. Схемы включения биполярных транзисторов

4.4.1. Схема включения транзистора с общим эмиттером

Между базой и эмиттером транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, подсоединяют источник сигнала, а к коллектору – нагрузку. К эмиттеру транзистора подключают полюсы одинаковых знаков источников питания. Входным током каскада выступает ток базы транзистора, а выходным током – ток коллектора. Это показано на рис. 4.3, на примере включения в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора.

На практике обходятся одним источником питания, а не двумя. Направление протекания тока по выводам транзистора дано на рисунке. Включение n-p-n транзистора совершенно аналогично включению p-n-p транзистора, однако в данном случае придётся поменять полярность обоих источников питания.

Коэффициент усиления каскада равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора. Входное сопротивление рассматриваемого каскада, равное отношению напряжения база-эмиттер к току базы, лежит в пределах от сотен до тысяч ом. Это меньше, чем у каскада с транзистором, подсоединённым по схеме с общим коллектором. Выходной сигнал каскада с общим эмиттером обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала. Флюктуации температуры оказывают значительное влияние на режим работы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, и поэтому следует применять специальные цепи температурной стабилизации. В связи с тем, что сопротивление коллекторного перехода транзистора в рассмотренном каскаде выше, чем в каскаде с общей базой, то необходимо больше времени на рекомбинацию носителей заряда, а, следовательно, каскад с общим эмиттером обладает худшим частотным свойством.

4.4.2. Схема включения транзистора с общим коллектором

К эмиттеру транзистора, включённого по схеме с общим коллектором, подсоединяют нагрузку, на базу подают входной сигнал. Входным током каскада является ток базы транзистора, а выходным током – ток эмиттера. Это отражено на рис. 4.5, на котором изображена схема включения биполярного p-n-p транзистора.

С нагрузочного резистора, включённого последовательно с выводом эмиттера, снимают выходной сигнал. Вход каскада обладает высоким сопротивлением, обычно от десятых долей мегаома до нескольких мегаом из-за того, что коллекторный переход транзистора заперт. А выходное сопротивление каскада – напротив, мало, что позволяет использовать такие каскады для согласования предшествующего каскада с нагрузкой. Каскад с транзистором, включённым по схеме с общим коллектором, не усиливает напряжение, но усиливает ток (обычно в 10 … 100 раз). Фаза входного напряжения сигнала, подаваемого на каскад, совпадает с фазой выходного напряжения, т.е. отсутствует его инверсия. Именно из-за сохранения фазы входного и выходного сигнала каскад с общим коллектором носит другое название – эмиттерного повторителя. Температурные и частотные свойства эмиттерного повторителя хуже, чем у каскада, в котором транзистор подключён по схеме с общей базой.

4.4.3. Схема включения транзистора с общей базой

В каскаде, собранном по схеме с общей базой, напряжение входного сигнала подают между эмиттером и базой транзистора, а выходное напряжение снимают с выводов коллектор-база. Включение транзистора p-n-p структуры по схеме с общей базой приведено на рис. 4.6.

В данном случае эмиттерный переход компонента открыт и велика его проводимость. Входное сопротивление каскада невелико и обычно лежит в пределах от единиц до сотни ом, что относят к недостатку описываемого включения транзистора. Кроме того, для функционирования каскада с транзистором, включённым по схеме с общей базой, необходимо два отдельных источника питания, а коэффициент усиления каскада по току меньше единицы. Коэффициент усиления каскада по напряжению часто достигает от десятков до нескольких сотен раз.

К достоинствам нужно отнести возможность функционирования каскада на существенно более высокой частоте по сравнению с двумя другими вариантами включения транзистора, и слабое влияние на работу каскада флюктуаций температуры. Именно поэтому каскады с транзисторами, включёнными по схеме с общей базой, часто используют для усиления высокочастотных сигналов.

4.5. Биполярные фототранзисторы

Фототранзистором называют транзистор, чувствительный к облучающему его световому потоку. Обычно дискретный фототранзистор по конструкции похож на дискретный транзистор, с тем отличием, что в герметичном корпусе фототранзистора есть окно, например, из стекла или прозрачной специальной пластмассы, через которое излучение попадает на область базы фототранзистора. Включение фототранзистора в электрическую цепь таково, что к эмиттеру подключают положительный полюс внешнего источника питания, к коллектору подсоединяют нагрузочный резистор, к которому в свою очередь подключают отрицательный полюс источника питания. При облучении области базы происходит генерация носителей зарядов. Наибольшая концентрация основных носителей заряда будет в базе, что приведёт к открытию фототранзистора, а неосновные носители заряда будут мигрировать в коллекторный переход. Следовательно, облучение фототранзистора приводит к увеличению тока его коллектора. Чем больше будет освещённость области базы, тем существенней станет ток коллектора фототранзистора. Таким образом, фототранзистором можно управлять и как обычным биполярным транзистором, варьируя током базы, и как светочувствительным прибором. К важным параметрам фототранзистора относят темновой ток, ток при освещении и интегральную чувствительность. Темновой ток – это ток коллектора при отсутствии облучения. Ток при освещении – ток коллектора при наличии облучения. Интегральная чувствительность – это отношение силы тока коллектора у подключённого фототранзистора к величине светового потока.

Фототранзисторы применяют в оптронах, устройствах автоматики и телеуправления, в приборах уличного освещения и пр.

4.6. Влияние частоты на усилительные свойства биполярных транзисторов

Известно, что чем выше частота сигнала, поступающего на вход транзисторного каскада, тем меньше коэффициент усиления по току. Основной вклад в снижение усилительных свойств нужно отнести к барьерной ёмкости и отставанию переменных токов коллектора от эмиттера на время, необходимое для диффузии носителей заряда в области базы. Кроме того, ёмкости между корпусом и выводами транзистора пагубно влияют на усилительные свойства прибора.

Коллекторный переход транзистора обладает высоким сопротивлением. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада.

Носители заряда преодолевают область базы и рекомбинируют за небольшой конечный интервал времени, исчисляемый десятками наносекунд.

Чем выше будет частота, тем существенней станет запаздывание носителей заряда. На постоянном токе сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера транзистора равен нулю, а полный ток базы минимален. На высокой частоте между переменными токами коллектора и эмиттера транзистора возникнет сдвиг фаз, которого не было на постоянном токе. При этом полный ток базы транзистора на высокой частоте много больше полного тока базы на низкой частоте и, тем более, на постоянном токе. Повышение тока базы для получения заданного фиксированного тока коллектора означает уменьшение коэффициента усиления транзистора по току.

Чтобы повысить граничную частоту усиления транзистора, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, повысить скорость прохождения через неё неосновных носителей зарядов, уменьшить ёмкость корпуса и выводов транзистора и прочее.

4.7. Влияние температуры на режимы работы биполярных транзисторов

Чтобы германиевый транзистор не вышел из строя, температура его кристалла должна быть меньше примерно 70 °C, кремниевого транзистора – меньше 125 … 150 °C, а арсенид-галлиевого транзистора – меньше 150 … 200 °C. Введение легирующих добавок несколько корректирует максимально допустимую температуру кристалла, а некоторые специально сконструированные транзисторы выдерживают и более высокую температуру. Так, согласно справочным данным, кремниевый биполярный транзистор КТ921В был разработан для применения в геофизической аппаратуре при температуре корпуса компонента не более +200 °C. При существенно более высокой температуре транзистора он испортится из-за необратимой перестройки кристаллической решётки. Нагрев биполярных транзисторов вызывает увеличения проводимости области базы и обратного тока коллектора. При повышении температуры корпуса транзистора от 20 °C до 60 °C обратный ток коллектора обычно может возрасти до шести раз. Следовательно, флюктуации температуры оказывают очень существенное влияние на функционирование транзисторного каскада, вызывая значительные изменения режима его работы. Чтобы флюктуация температуры не привела, допустим, к возникновению автогенерации каскада, предназначенного для усиления, или другим вредным последствиям, необходимо применять цепи термостабилизации режимов работы транзисторов.

Питание каскада осуществляется от одного источника, напряжением Ек.

Требуется провести графоаналитический расчет рабочего режима для схемы, представленной на (рис. 1), в диапазоне частот усиливаемых колебаний от 80 Гц до 5 кГц при заданных параметрах цепи, которые указаны в таблице 1.

Рис.1 – Усилительный каскад на биполярном транзисторе

В приложении представлены входные и выходные характеристики транзистора КТ342, указанных в таблице 1, которые необходимы для проведения графоаналитического расчета усилительного каскада.

Таблица1

Исходные данные

Транзистор ЕК, В RK, кОм
КТ342 0,1

Входная и выходная характеристики транзистора изображены в приложении.

Так как во входной цепи транзистора при любой схеме включения протекает ток, то для расчета рабочего режима транзистора недостаточно одного семейства выходных характеристик, а требуется еще семейство, определяющее режим работы входной цепи. Следует заметить, что в справочниках обычно дана одна входная характеристика, так как входные характеристики, снятые при различных выходных напряжениях, расположены близко друг к другу.

Порядок решения задачи следующий. На семействе выходных характеристик строится линия максимально допустимой мощности, используя уравнение:

IKmax = PKmax / |UКЭ | = 250 10–3|UКЭ |.

Подставляя в данное выражение значения UКЭ, равные, например, -1,5, 2,3, 4 и 5 В, получаем значения IК, равные 55, 42; 25 и 18 мА соответственно. Построенная по этим точкам линия PKmax показана на рис. 3.

КТ342 РKmax = 250 мВт n-p-n

Рис. 3

Затем, используя уравнение линии нагрузки IK = (Е – UKЭ) / RН на семейство выходных характеристик наносится линия нагрузки:

при IК = 0; UКЭ = Е = 6 В – первая точка линии нагрузки;

при UКЭ = 0; IK = Е/RH =6 /100 = 60 мА – вторая точка линии нагрузки.

Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой, соответствующей постоянной составляющей тока базы IБ0 = 0,2 мА, определит рабочую точку. Ей будут соответствовать постоянная составляющая тока коллектора IK0 = 31 мА и постоянная составляющая напряжения UKЭ0 = 3 В.

Амплитуда переменной составляющей тока коллектора определяется как среднее значение: ImK = (IKmax – IKmin) / 2 = (43-18) / 2 = 12,5 мА.

Амплитудапеременного напряжения на нагрузке: UmR = UmКЭ = ImK·RH= =12,5·100 = 1,2 В.

Коэффициент усиления по току: KI = ImK/ ImБ = 12,5/0,1 = 125.

Выходная мощность: РВЫХ = 0,5ImKUmR = 0,5·12,5·1,2 = 7,5 мВт.

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи: P0 = EIK0= 6·31= = 186 мВт.

КПДколлекторной цепи: η = РВЫХ / Р0 = 7,5/186 = 4,03%.


Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока: PK0 = IK0 UКЭ0 = 31·3 = 93 мВт.

UKЭ = 3 В.

|UБЭ0 | = 0,66 В.

Амплитуда входного напряжения: UmБЭ = (UБЭmax – UБЭmin ) / 2 =

=(0,67-0,64) / 2 = 0,015 В = 15 мВ.

Модуль коэффициента усиления по напряжению: |KU | = UmКЭ / UmБЭ = =1,2/0,015 = 80

Коэффициент усиления по мощности: KР = |KI KU | = 125·80 = 104

Входная мощность: РВХ = 0,5ImБ UmБ = 0,5·0,1·15 = 0,75 мкВт.

Входное сопротивление: RВХ =UmБЭ / ImБ = 15/0,1 = 150 Ом.

Сопротивление резистора: RБ =(E – |UБЭ0 | ) / IБ0=(6-0,66)/0,2=26,7 кОм.

Емкость конденсатора СР определяется из условия: 1 /( ωНСР) = RВХ /10 .

где ωН – низшая рабочая частота, тогда

СР = 10/ωН RВХ = 10/2πfН RВХ = 10/6,28·80·150 = 132,7 мкФ.

Расчет параметров усилителя для найденной рабочей точки покоя усилителя h21Э, h22Э, RВЫХ = 1/h22Э, h11Э , RВХ и h21Э = S , а также расчет коэффициентов КI, KU, КP.

Рассчитаем параметры в рабочей точке, при UKЭ = 3 В и IK0 = 31 мА:

по точкам В и Г (приложение) определим: h21Э = 25/0,2 = 125.

По точкам D и Е (приложение) определим:

h22Э = 2 /2,2= 0,909 мСм;

RВЫХ = 1/ h22Э = 1/0,909 = 1,1 кОм,

По крайним точкам А и Б (приложение) определим параметр:

h11Э = 0,03 / 0,2 = 0,15 мОм.=150 Ом

Крутизна характеристики транзистора: S =h21Э / h11Э=125/0,15=0,83 мA/В.

С помощью найденных параметров определим искомые значения по приближенным формулам. Коэффициент усиления по току:

5.Каскад с общим эмиттером.

В простейшем каскаде с ОЭ (рис. 88) входной сигнал подаётся на базу, а цепь эмиттера подключена к общему проводу. Каскады с ОЭ обеспечивают усиление как по току, так и по напряжению. Ток коллектора очень слабо зависит от напряжения на нём, поэтому транзистор со стороны со стороны коллектора в большинстве случаев можно рассматривать как генератор тока Iк с очень большим выходным сопротивлением.

Крутизна транзистора S≈1/(rэ+Rэ), где rэ=fт/Iэ — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода — выступает в качестве последовательного сопротивления во всех схемах, увеличивает входное и выходное сопротивление транзистора.

Коэффициент усиления по напряжению без учёта сопротивления нагрузки Rн и сопротивления коллектора rк
Кu= -S Rвх= — Rк/(rэ+Rэ).

Знак «минус» говорит об инверсии сигнала. Это справедливо при Rк много меньше Rн и rк. В противном случае необходимо учитывать их шунтирующее влияние.

rк=1/h22э — выходное сопротивление коллектора;
h22э — выходная проводимость.

Соответственно при отсутствии Rэ Кu= -Rк/rэ.
Как видно из приведённой формулы, каскаду с ОЭ (без принятия дополнительных мер) свойственны большие нелинейные искажения, т.к. в знаменателе есть нелинейная величина rэ, имеющая сложную зависимость от тока коллектора.

Уменьшить нелинейные эффекты можно по следующим направлениям:
— уменьшение влияния rэ путём установки последовательно с ним резистора Rэ (местная ООС по току);
— компенсация влияния rэ путём установки последовательно с Rк одного или нескольких диодов динамическое сопротивление которых равно: rд=fт/Iк, тогда Кu=(Rк+nrд)/(rэ+Rэ), где n — количество диодов;

— выбор оптимального тока коллектора, при котором минимальны изменения h21э;
— правильный выбор рабочей точки;
— применение местной ООС по напряжению, которая одновременно уменьшает влияние ёмкости Ск, так как шунтирует её:

— выбор оптимального сопротивления источника (например, подбором сопротивления Rп последовательно со входом;
— уменьшение влияния rэ путём замены Rк генератора тока (за счёт стабилизации тока коллектора);
— уменьшение нелинейных эффектов за счёт применения динамической нагрузки;
— взаимокомпенсация нелинейных эффектов за счёт встречной динамической нагрузки.

Усилительные свойства транзисторов сохраняются до напряжения насыщения, которое может быть в пределах от 0.2…0.3В до нескольких вольт в зависимости от тока коллектора. Например, для маломощных транзисторов при токах больше 10…20 мА насыщение может наступать при Uкэ=(1…2)В.

Напряжение Uбэ зависит от температуры и изменяется на -2.1 мВ/°С. Поэтому ток коллектора увеличивается в 10 раз при увеличении Т° на 30°С. Такая нестабильность делает смещение неработоспособным, т.к. даже небольшое изменение температуры выводит транзистор в режим насыщения или отсечки.

Входное сопротивление каскада:
Rвх=Rп+rб+h21э(rэ+Rэ) и имеет ёмкостный характер.

При отсутствии Rп и Rэ и если пренебречь rб, то Rвх=h21эrэ=h21э25/Iк (мА), Ом

Отсюда видно, что Rвх величина не постоянная, меняется при изменении входного сигнала, т.к. меняется Iк.

Диапазон изменения входного сигнала при Rэ=0, при котором сохраняется линейный режим, не превышает 2-φт=50 мВ.

Коэффициент передачи тока h21э не постоянен и имеет сложную зависимость для тока коллектора (рис. 89) (для маломощных транзисторов). В зависимости от типа транзистора максимум коэффициента передачи может наступать при токах коллектора от 1-2 мА для маломощных транзисторов, до нескольких ампер — для мощных. В режиме насыщения наблюдается резкое падение коллекторного тока независимо от тока базы, при этом коллекторный переход оказывается прямосмещённым.

При сопротивлении источника сигнала Rr>Rвх можно считать, что источник входного сигнала электрически замкнут накоротко. При этом входной ток Iвх=Евх/Rr и практически не зависит от изменяющегося Rвх, где Евх — ЭДС источника сигнала.

Следовательно усиление будет происходить с малыми нелинейными искажениями, поскольку зависимость выходного тока транзистора от входного практически линейна, хотя входное напряжение Uвх=IвхRвх — нелинейно.

Однако не следует думать, что чем Rr больше Rвх, тем лучше. Для транзисторного каскада характерна вполне определённая оптимальная величина как внутреннего сопротивления источника сигнала (рис. 90), так и тока коллектора. Необходимо также учитывать, что Rк шунтируется входным делителем каскада.

Ёмкость коллекторного перехода Ск является барьерной ёмкостью и зависит от напряжения на коллекторе, т.е. носит динамический характер.

Подобно тому как Сэ уменьшается в (Кu+1) раз в эмиттерном повторителе благодаря положительной ОС в каскаде с ОЭ Ск увеличивается во столько же раз благодаря отрицательной ОС, что равносильно подключению параллельно входу динамической ёмкости Ск (Кu+1). В большинстве случаев она оказывает отрицательное влияние, однако иногда используют и её. В этом и заключается так называемый эффект Миллера.

Частоту среза каскада снижает не только входная динамическая ёмкость,но и ёмкость нагрузки, в том числе и монтажа. Расширить полосу пропускания можно следующим образом:

— Уменьшить Rн при одновременном увеличении Iк, т.к. усиление прямопропорционально Iк/Св;
— применить транзисторы с малыми ёмкостями переходов;
— отделить нагрузку эмиттерным повторителем.

Как отмечалось выше, простейший каскад не обладает термостабильностью, поэтому практически не используется. Один из способов так называемой коллекторной термостабилизации с применением отрицательной обратной связи по напряжению показан на рисунке 91. Если взять исходное напряжение Uк равным 0.5Еп, то Rк=0.5Еп/Iк, сопротивление в цепи базы Rб=0.75Еп/Iб=0.5Еп h21э/Iк.

Пример коллекторной стабилизации с исключением влияния ООС по переменному напряжению показан на рис. 92. Как видим базовый резистор заменён Т-мостом, где C=Ku/φ2pн pR1. Обычно R1 принимают равным R2.

Каскад с компенсационным смещением на согласованном транзисторе благодаря применению отражателя тока (рис.93) предназначен для усиления относительно слабых сигналов. Изменение температуры не влияет на работу такой схемы. Аналогичный каскад с трансформаторной связью на входе показан на рис. 94.

Каскад с эмиттерной стабилизацией с помощью ООС по току показан на рис. 95. RC-цепь, параллельную резистору Rэ применяют для увеличения усиления по переменному току, а также для коррекции АЧХ каскада. Сопротивление резистора Rэ в зависимости от тока коллектора выбирают от долей ома в мощных выходных каскадах до нескольких килоом в маломощных. Ток базового делителя желательно иметь таким: Iдел->=10 Iб, при двухполярном питании цепь смещения базы упрощается (рис.96).

Возможный вариант применения токового зеркала для термостабилизации показан на рис.97. Динамический диапазон такой схемы по сравнению со схемой рис. 93. шире за счёт резисторов Rэ.

На рис. 98 показан трёхкаскадный усилитель со взаимной стабилизацией всех каскадов на токовом зеркале Уилсона . Коэффициент усиления достигает 5000 и более. Недостаток схемы — низкая нагрузочная способность, проявляющаяся в явно выраженных искажениях в виде чётных гармоник.

Эмиттерная стабилизация по сравнению с коллекторной обеспечивает большую термостабильность, однако наиболее эффективен комбинированный способ. На рис. 99 показан практический вариант усилителя с комбинированной стабилизацией на составном транзисторе Шиклаи. Входное сопротивление каскада — около 200 кОм, коэффициент усиления Кu=К2/К3=10.

Применение составного транзистора рис. 4 и генератора тока вместо RK (рис. 101) позволяет получить усиление 20000 и более. Однако реализовать такое усиление можно только при работе каскада на составной эмиттерный или истоковый повторитель.

В отличие от каскада с ОЭ в каскаде с ОИ (рис. 102) нелинейные искажения значительно меньше, поскольку напряжение отсечки Uотс~=1…5 В намного больше, чем температурный потенциал φт=25 мВ биполярных транзисторов. Линейная область входных напряжений значительно шире и сильно зависит от выбора рабочей точки Iсп/Icmax, где Iсп — ток стока покоя, Icmax — максимальный ток стока.

Каскад с повышенным благодаря следящей ОС входным сопротивлением показан на рис. 103.

Практическая схема малошумящего усилителя показана на рис. 104. Основные характеристики следующие:

коэффициент усиления — 10;
полоса пропускания, Гц — 5…25000;
номинальное входное напряжение, мВ — 150;
максимальное входное напряжение, мВ — 700;
коэффициент шума, дБ — 80…85;
коэффициент гармоник, % — <0,05.

Вариант усилителя с разветвлением сигналов на несколько каналов с помощью истоковых повторителей показан на рис. 105.

Широкое применение каскадов с динамической нагрузкой было описано В.Носовым на страницах журнала «Радио» (12/67 с.30; 9/69 с. 44). Усилитель с динамической нагрузкой (рис. 106) имеет коэффициент усиления около 100…150. Благодаря съёму сигнала с эмиттера транзистора VT2 каскад имеет низкое выходное сопротивление. Номинальное входное напряжение — 20 мВ.

Возможный вариант повышения эффективности динамической нагрузки с помощью токового зеркала показан на рис. 107 .

В отличие от обычного каскада с ОИ, у которого коэффициент усиления редко превышает 10, коэффициент усиления каскада рис. 108 достигает 500 благодаря динамической нагрузке. Усилитель с эмиттерным повторителем в качестве буферного каскада показан на рис. 109.

Практическая схема малошумящего микшера для микрофонов показана на рис. 110 .

Для получения необходимой АЧХ или её коррекции вместо Rк или параллельно ему включают различные (параллельные или последовательные) LC или RC-цепи. Усилительный каскад в интегральном исполнении с индуктивной ВЧ-коррекцией показан на рис. 111. Дело в том, что входное сопротивление каскада с общей базой (ОБ) на определённых частотах имеет индуктивную составляющую, которую можно использовать для ВЧ-коррекции.

НЧ-коррекцию с помощью отражателя тока (рис. 112) также можно использовать в интегральном исполнении, при этом ёмкость Сф можно существенно уменьшить.

Малошумящий усилитель со встречной динамической нагрузкой показан на рис. 113. Коэффициент усиления — около 10. Такой усилитель можно использовать в качестве микрофонного усилителя или входного каскада УВ магнитофона. Минимального уровня шумов добиваются подбором резистора R5, который зависит от напряжения питания. При этом ток коллектора обычно находится в пределах 30…50 мА.

Усиление каскада со встречной динамической нагрузкой (рис.114) при работе на каскад с высоким входным сопротивлением достигает 5000.

Вариант применения мостовой схемы для увеличения мощности примерно в 4 раза при том же напряжении питания показан на рис. 115. Управление таким каскадом осуществляют парафазным сигналом.

В выходном каскаде усилителя мощности (рис. 116) благодаря применению дополнительных транзисторов VT5, VT6 исключены сквозные токи.

Разумеется, приведённые схемы не исчерпывают всего многообразия схемотехнических решений на сегодняшний день. Приведены лишь наиболее интересные и часто встречающиеся решения, на взгляд автора.

Литература

18. Радиолюбитель. — 1991. — №7. — С.26.
19. Красов Ю. Входные каскады высококачественных усилителей низкой частоты. — М.: Радио и связь, 1982.
20. Васильев В. Радиолюбители сельскому клубу. — М.: Радио и связь, 1983.
21. А.с. 1300631 публ. 133-14-87.
22. За рубежом // Радио. — 1976. — N 9. — С.61.
23. А.с. 1069131.

1. Каскад с общим эмиттером.

Рис. 88.

Рис. 89.

Рис. 90.

1.1. Применение местной ООС по напряжению.

Рис. 91.

2. Пример коллекторной стабилизации с исключением влияния ООС по переменному току.

Базовый резистор заменён Т — мостом, где C=Ku/φ2pн pR. Обычно R1 принимают равным R2.

Рис. 92.

3. Каскад с компенсационным смещением на согласованном транзисторе.

Используется для усиления относительно слабых сигналов. Изменение температуры не влияет на работу схемы.

Рис. 93.

Аналогичный каскад с трансформаторной связью на входе.

Рис. 94.

4. Каскад с эмиттерной стабилизацией с помощью ООС по току.

RC — цепь, параллельную резистору Rэ применяют для увеличения усиления по переменному току, а так же для коррекции АЧХ каскада. Сопротивление резистора Rэ в зависимости от тока коллектора выбирают от долей ома в мощных выходных каскадах до нескольких килоом в маломощных. Ток базового делителя желательно иметь примерно в 10 раз больше тока базы.

Рис. 95.

Цепь смещения при двухполярном питании:

Рис. 96.

5. Один из вариантов применения токового зеркала для термостабилизации.

За счёт применения Rэ динамический диапазон такой схемы выше, чем у каскада с компенсационным смещением на согласованном транзисторе.

Рис. 97.

6. Трёхкаскадный усилитель со взаимной стабилизацией всех каскадов на токовом зеркале Уилсона.

Коэффициент усиления — 5000 и более. Недостаток — низкая нагрузочная способность, проявляющаяся в явно выраженных искажениях в виде чётных гармоник.

Рис. 98.

7. Усилитель с комбинированной стабилизацией на составном транзисторе Шиклаи.

Входное сопротивление каскада — около 200 кОм, коэффициент усиления Кu=K2/K3=10.

Рис. 99.

Рис. 100.

8. Составной транзистор с генератором тока вместо Rк.

Позволяет получить усиление 20000 и более. Реализовать такое усиление можно только при работе каскада на составной эмиттерный или истоковый повторитель.

Рис. 101.

9. Каскад с общим истоком.

В отличие от каскада с ОЭ нелинейные искажения значительно меньше, поскольку напряжение отсечки Uотс=1..5В намного больше, чем температурный потенциал φт=25мВ биполярных транзисторов. Линейная область входных напряжений значительно шире и сильно зависит от выбора рабочей точки Iсп/Iсmах , где Iсп — ток стока покоя, Iсmах — максимальный ток стока.

Рис. 102.

10. Каскад с повышенным благодаря следящей связи входным сопротивлением.

Рис. 103.

11. Малошумящий усилитель.

Коэффициент усиления -10;
полоса пропускания, Гц — 5…25000;
номинальное входное напряжение -150мВ;
максимальное входное напряжение — 700мВ;
коэффициент шума — 80…85 дБ;
коэффициент гармоник — <0.05%

Рис. 104.

12. Усилитель с разветвлением сигналов на несколько каналов с помощью истоковых повторителей.

Рис. 105.

13. Усилитель с динамической нагрузкой.

имеет коэффициент усиления около 100…150. Благодаря съёму сигнала с эмиттера транзистора VT2 каскад имеет низкое входное сопротивление. Номинальное входное напряжение — 20мВ.

Рис. 106.

14. Повышение эффективности динамической нагрузки с помошью токового зеркала.

Рис. 107.

15. Каскад с ОИ с динамической нагрузкой (Ку=500).

Рис. 108.

16. Усилитель с эмиттерным повторителем в качестве буферного каскада.

Рис. 109.

17. Малошумящий микшер для микрофона.

Рис. 110.

18. Усилительный каскад в интегральном исполнении.

Для получения необходимой АЧХ или её коррекции вместо Rк или параллельно ему включают различные (параллельные или последовательные) LC — или RC — цепи. Входное сопротивление каскада с общей базой (ОБ) на определённых частотах имеет индуктивную составляющую, которую можно использовать для ВЧ — коррекции.

Рис. 111.

19. НЧ — коррекция с помощью отражателя тока.

Рис. 112.

20. Малошумящий усилитель со встречной динамической нагрузкой.

Кус=10. Минимального уровня шумов добиваются подбором R5, который зависит от напряжения питания. При этом ток коллектора обычно находится в пределах 30…50 мА.

Рис. 113.

21. Каскад со встречной динамической нагрузкой.

При работе такого каскада на каскад с высоким входным сопротивлением коэффициент усиления может достигать 5000.

Рис. 114.

22. Мостовая схема для увеличения мощности в 4 раза.

Для управления используются противофазные сигналы.

Рис. 115.

23. Выходной каскад усилителя мощности.

Благодаря применению дополнительных транзисторов VT5, VT6 исключены сквозные токи.

Рис. 116.

Транзисторный усилительный каскад. Расчет. Схема. Проектирование. Биполярный транзистор. Рассчитать онлайн. Формулы.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе. Схема. Расчет. (10+)

Усилительный каскад на биполярном транзисторе. Расчет

‘);

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Чтобы спроектировать усилительный каскад на биполярном транзисторе, необходимо понять, какие параметры мы хотим от него получить. Нам нужно задать коэффициент усиления по напряжению каскада, амплитуду входного сигнала, желаемое выходное сопротивление. На основе этих данных мы можем выбрать биполярный транзистор, который нам подойдет по току коллектора и рассеиваемой мощности. Опираясь на характеристики выбранного транзистора, можно задать его оптимальный режим работы. И наконец на основе этих данных рассчитать номиналы резисторов в схеме.

Мы приведем в статье пример расчета одной из наиболее удачных схем однотактного усилительного каскада на биполярном транзисторе. На второй странице статьи Вы можете ознакомиться с усилительным каскадом на двух биполярных транзисторах, который применяем мы. Эта схема обладает целым рядом преимуществ. На ее основе мы спроектировали несколько хороших усилителей звуковой частоты.

Классический транзисторный усилительный каскад

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Принципиальная схема

Но пока вернемся к классической схеме.

Это усилитель с общим эмиттером, резистором обратной связи в цепи эмиттера и следящей связью, исключающей влияние цепей смещения на входное сопротивление усилительного каскада. Такая схема, благодаря глубокой обратной связи через эмиттерный резистор, обладает хорошими параметрами, высокой линейностью, температурной стабильностью и малыми искажениями сигнала.

Дифференциальное (динамическое) сопротивление перехода база — эмиттер в рекомендуемых режимах работы транзистора очень низкое. Это значит, что падение напряжения на этом переходе практически не зависит от тока через этот переход. Это падение напряжения называют напряжением насыщения база — эмиттер. В своих расчетах мы будем исходить из того, что напряжение на базе транзистора в этом каскаде равно напряжению на эмиттере плюс напряжение насыщения база — эмиттер. Тогда:

Базовые формулы

= * ( + 1)

= ( * ) / ( * ( + 1))

=

Порядок расчета

Задав необходимое выходное сопротивление, мы получаем сопротивление резистора R4. Зная амплитуду входного сигнала и коэффициент усиления, мы можем вычислить амплитуду выходного сигнала, а следовательно, амплитуду изменение силы тока через резистор R4.

= * /

= ( * ) / ( * ( + 1))

Рабочая точка транзистора обычно выбирается так, чтобы удовлетворять двум условиям. Во-первых, ток коллектора транзистора при нулевом входном сигнале (ток покоя) должен быть по крайней мере на 20% больше максимальной амплитуды тока через R4. Во-вторых, ток покоя должен быть таким, чтобы для конкретного типа транзистора при таком токе коэффициент передачи тока не зависел от тока коллектора.

При малых входных сигналах преобладает второе требование, при больших — первое. В справочной литературе по биполярным транзисторам приводятся графики зависимости коэффициента передачи тока от тока коллектора. Нужно найти на этих графиках горизонтальный участок.

Итак, ток покоя выбран.

>= * ( + ) + 1.2 * *

Напряжением насыщения коллектор — эмиттер пренебрегаем, так как запас 20% перекрывает это значение. В выражении стоит знак ‘больше или равно’, это означает, что напряжение питания можно выбирать довольно произвольно не меньше, чем расчетное, с учетом предельных параметров транзистора.

= * ( — * — )

Мощностью, рассеиваемой в цепи базы пренебрегаем.

Цепь подачи смещения

Резисторы R1, R2, R3 обеспечивают смещение, то есть тот самый ток покоя. Рассчитаем падение напряжения на резисторе R5 при токе покоя.

= * * (1 + 1 /)

= +

= /

Сопротивление резисторов R2 и R3 выбираем равными друг другу и равными десяти сопротивлениям R5

= * ( / — * / — 1) / (1 + * / + * / )

Кошмар!!!

Конденсатор C2 выбирается возможно большей емкости, например, 10 000 мкФ. Его лучше зашунтировать керамическим конденсатором для компенсации внутренней индуктивности. Конденсатор C1 лучше также выбрать большой емкости.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Еще статьи

Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники….
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы….

Транзисторный УМЗЧ высокого качества.

Усилитель мощности низкой, звуко…
Высококачественный УМЗЧ на биполярных транзисторах. Схема для сборки своими рука…

Особенности проектирования транзисторных усилителей. Разработка усилит…
Особенности проектирования транзисторных усилителей. Проблемы схемотехники бипол…

Усилитель на полевом транзисторе. FET, MOSFET. Звуковая, низкая частот…
Применение полевых транзисторов в низкочастотных усилителях….

Дифференциальный усилитель, усилительный каскад — схемы. Усиление разн…
Схемы и характеристики дифференциальных усилителей на дискретных элементах и на …

Полумостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, …
Как работает полу-мостовой стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание…

Основы электроники. Начала, база, понятие радиоэлектроники, электронно…
Что такое электроника? Проектирование радиоэлектронных схем…

Светомузыка, светомузыкальная приставка своими руками. Схема, конструк…
Как самому собрать свето-музыку. Оригинальная конструкция свето-музыкальной сист…

Справочник

Главная Справочник Энциклопедия радиоинженера

Расчет тока базы транзистора

«Справочник» — информация по различным электронным компонентам: транзисторам, микросхемам, трансформаторам, конденсаторам, светодиодам и т.д. Информация содержит все, необходимые для подбора компонентов и проведения инженерных расчетов, параметры, а также цоколевку корпусов, типовые схемы включения и рекомендации по использованию радиоэлементов.

Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

Типы транзисторов и режимы работы

Различают два основных класса триодов (транзисторов):

1.Биполярные (управляются током на база-эмиттерном переходе, конструктивно имеют два различных перехода p-n и n-p, то есть могут быть n-p-n или p-n-p типа);

2.Униполярные или полевые (управляются напряжением на база-эмиттерном переходе, конструктивно состоят из двух однотипных переходов p-n или n-p, выделяют два типа полевых транзисторов – с изолированным затвором и с затвором из p-n-перехода).

Здесь для понимания обозначений:

  • p-n – дырочно-электронный (основной носитель – пустые места в кристаллической решетке, понимаемые под положительным зарядом),
  • n-p – электронно-дырочный переход (основной носитель – электроны).

Чтобы исключить путаницу, вводы и выводы различных классов транзисторов называются по-разному:

  • В биполярных – база, эмиттер, коллектор;
  • В полевых – исток, сток, затвор.

Так как речь идет о расчете тока базы, то далее рассмотрим режимы работы только полевых транзисторов:

1.Активный режим (напряжение эмиттер-база > 0, напряжение коллектор-база

2.Инверсивный (обратная ситуация для активного режима, равносилен стандартной логике работы p-n-p транзисторов),

3.Насыщение (когда оба перехода эмиттер-база и база-коллектор открыты, между эмиттером и коллектором течет ток – ток насыщения),

4.Отсечка (напряжение коллектор-база

5.Барьерный (база соединяется с коллектором, транзистор работает как диод).

Таблица

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе

(UE,VB,UC)

Смещение перехода база-эмиттер для типа n-р-n

Смещение перехода база-коллектор для типа n-р-n

Режим для типа n-р-n

прямое

обратное

нормальный активный режим

прямое

прямое

режим насыщения

обратное

обратное

режим отсечки

обратное

прямое

инверсный активный режим

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе

(UE,VB,UC)

Смещение перехода база-эмиттер для типа р-n-р

Смещение перехода база-коллектор для типа р-n-р

Режим для типа р-n-р

обратное

прямое

инверсный активный режим

обратное

обратное

режим отсечки

прямое

прямое

режим насыщения

прямое

обратное

нормальный активный режим

Различные режимы работы используются для разных целей.

Наиболее частым способом включения биполярных транзисторов является схема с общим эмиттером («ключевой режим», входной сигнал на базе, выходной на коллекторе), ее и рассмотрим ниже.

Рис. 1. Схема с общим эмиттером

Расчет тока базы биполярного транзистора в ключевом режиме

Схема включения обозначена выше.

Для расчетов необходимо иметь значения:

1.V+ — напряжение питания;

2.Rc – сопротивление нагрузки;

3.Uce – напряжение насыщения коллектор-эмиттер (указывается в технических параметрах транзистора);

4.H21 (или β, или HFE)- коэффициент усиления транзистора по току (тоже должен быть в тех. параметрах).

Процедура расчета будет выглядеть следующим образом:

1.Рассчитывается ток коллектора,

2.Рассчитывается ток базы, который требуется для создания заданного тока коллектора.

В первом случае работает формула:

Ik = (V+ — Uce) / Rc

При типовых значениях для транзистора KT815 и абстрактной нагрузке в качестве примера получаем:

Ik = (12В-0,4В)/100 Ом = 0,116 А (116 мА)

Теперь ток базы рассчитывается на основе соотношения:

Ik = Ib · h21

То есть

Ib = Ik / h21

Для KT815 коэффициент равен 60. Таким образом:

Ib = 0,116/ 60 = 0,00193 А (1,93 мА)

В других режимах работы расчеты будут отличаться.

Например, в режиме насыщения ток коллектора и базы не зависят друг от друга. А в режиме отсечки ток базы равен нулю.

Дата публикации: 23.11.2017

Мнения читателей
  • Виталий / 27.03.2019 — 20:34
    Одна из самых подробных статей о транзисторах! Спасибо автору!

Добавить комментарий

Закрыть меню