Существуют три схемы включения транзисторов в усилительных каскадах: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором.
11. Как строится нагрузочная прямая по переменной составляющей по отношению к выбранной точке покоя?
Выбрав рабочую точку покоя А примерно посредине линии нагрузки по постоянному току MN, проводим через точку покоя А линию нагрузки СD по переменному току под углом g, котангенс которого пропорционален результирующему сопротивлению в цепи коллектора по переменному току: ctgg=(a/b)Rн1~, где a − масштабный коэффициент по оси ординат, мА/мм; b − масштабный коэффициент по оси абсцисс, В/мм; Rн1~=(Rк1Rн1)/(Rк1+Rн1), кОм.
12. Чем вызвана необходимость температурной стабилизации усилительного каскада?
Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра аналогично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно представить формулой:
С ростом температуры тепловой ток IЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения jТ = kT/q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе IЭ на величину ΔU (1...2) мВ/°С (рисунок 4,а).
|
|
Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода IКБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рисунок 4, б).
Рисунок 4—Зависимость входных характеристик от температуры для схем с общей базой (а) и с общим эмиттером (б) Влияние температуры на выходные характеристики схем с общей базой и с общим эмиттером в нормальном активном режиме удобно анализировать по формулам:
и .
Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (IЭ=const в схеме с ОБ и IБ=const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при IЭ=const рост IК будет определяться только увеличением IКБО (рисунок 5, а).
Рисунок 5—Зависимость выходных характеристик БТ от температуры для схем включения с общей базой (а) и с общим эмиттером (б)
Однако обычно IКБО значительно меньше αIЭ, изменение IК составляет доли процента и его можно не учитывать. В схеме с общим эмиттером положение иное. Здесь параметром является IБ и его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство b∙IБ означает, что температурная зависимость IК будет определяться слагаемым (b + 1)IКБО. Ток IКБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 прирост тока (b + 1)IКБО может оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его. На рисунке 5, б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.
|
|
13. Какую форму имеет кривая выходного напряжения, если входной сигнал превышает допустимое значение?
Рабочей областью выходных характеристик в режиме усиления является область, ограниченная предельно допустимыми значениями и областями насыщения и отсечки. В этой области характеристики можно считать практически линейными, а транзистор - линейным элементом, т.е. полностью открывается, и он перестает быть управляемым током базы, т.е. переходит в ключевой режим работы.
Рисунок 6—Амплитудная характеристика
14. Какой порядок имеет коэффициент усиления по току, по напряжению и входное сопротивление каскада ОЭ?
При включении с общим эмиттером усиление по току имеет большую величину и происходит без поворота фазы за счёт транзистора. Усиление по напряжению в режиме холостого хода велико и имеет практически такую же величину, как в схеме с общей базой. Однако при реальных сопротивлениях нагрузки усиление по напряжению получается большим, чем в схеме с общей базой, ввиду меньшего по сравнению с этой схемой выходного сопротивления каскада. Передача напряжения осуществляется с вносимым транзистором поворотом фазы на π. Входное сопротивление больше, чем для схемы с общей базой, и значительно меньше, чем для схемы с общим коллектором. Выходное сопротивление меньше, чем для схемы с общей базой, и значительно больше, чем для схемы с общим коллектором.
15. Какой порядок имеет коэффициент усиления по току, по напряжению и входное сопротивление каскада ОК?
Усиление по току имеет большую величину, практически равную усилению в схеме с общим эмиттером, и происходит с поворотом фазы на π за счёт транзистора. Усиление по напряжению отсутствует, а передача напряжения осуществляется без поворота фазы. Входное сопротивление значительно больше, а выходное сопротивление значительно меньше, чем для схем с общей базой и с общим эмиттером. Так как входное напряжение каскада повторяется на выходе, т.е. в эмиттерной цепи, практически без изменения по величине и по фазе, каскад по схеме с общим коллектором носит название эмиттерного повторителя. Такой каскад применяется для преобразования сопротивлений без использования трансформатора.
Рисунок 7— принципиальные электрические схемы усилительных каскадов с общим эмиттером (а) и с общим коллектором (б)
Таблица 1— Параметры элементов усилительных каскадов
R | R1 | R2 | R к1 | Rэ1 | Rг1 | Rг2 | R3 | R4 | Rэ2 |
кОм | 22 | 20 | 1,3 | 1 | 1,1 | 1,1 | 18 | 200 | 2 |
С | Ср1 | С1р1 | Ср2 | С1р2 | Сэ1 | Ср3 | С1р3 | Ср4 | С1р4 |
мкФ | 30 | 0,05 | 30 | 0,05 | 200 | 30 | 0,01 | 30 | 0,05 |
Характеристики транзистора КТ312А:
Ik max=30мА; UКЭmax=20В; Pk max=225мВТ; IКБО=0,2 мкА; h21Э=10…100; fmax=80МГц; rБ=900 Ом; rЭ=30 Ом; r*К=30 кОм; β=50; Ск=4 пФ.
Рисунок 8—Характеристики транзистора КТ312А с проведёнными линиями нагрузки MN по постоянному току и нагрузки СD по переменному току, а также выбрана точка покоя А
Данные для расчёта: Ек=15В, Rн1=1кОм, Rн2=0,2кОм, Сн1=Сн2=0,01мкФ
Проводим линию нагрузки по постоянному току MN, используя выходные характеристики транзистора (рисунок 8). Линия нагрузки MN стоится по двум точкам. Точка N соответствует режиму холостого хода, когда Iк=0, а Uкэ=Ек. Соответственно:
Iк=0, Uкэ=Ек=15 В.
|
|
Точка M соответствует режиму, когда Uкэ=0, Iк=Ек/(Rк1+Rэ1).
Соответственно:
Uкэ=0, Iк=Ек/(Rк1+Rэ1)=15/(1,3+1)=6,52 мА.
Выбраем рабочую точку покоя А примерно посредине линии нагрузки по постоянному току MN, проводим через точку покоя А линию нагрузки СD по переменному току под углом g, котангенс которого пропорционален результирующему сопротивлению в цепи коллектора по переменному току:
ctgg=(a/b)Rн1~;
где a—масштабный коэффициент по оси ординат, мА/мм; b—масштабный коэффициент по оси абсцисс, В/мм.
Rн1~=(Rк1Rн1)/(Rк1+Rн1), кОм
Подставляем данные, получаем соответственно:
Rн1~=(Rк1Rн1)/(Rк1+Rн1)=(1,3∙1)/(1,3+1)=0,5652 кОм
Подставляем данные а=9мА/мм; b=9В/мм; получаем соответственно:
ctgg=(a/b)Rн1~=(9/9)∙0,5652=0,5652
Зная ctgg находим g: g=60028/
Рисунок 9—Временные диаграммы
Определяем графически параметры: Uкп − напряжение на коллекторе в режиме покоя, Iкп − коллекторный ток покоя, Uвыхm − амплитуду неискаженного выходного напряжения.
С учётом масштабных коэффициентов рисунка 9 a1=0,7; b1=0,7:
Напряжение на коллекторе в режиме покоя Uкп=1,986 В,
Коллекторный ток покоя Iкп=4,071 мА,
Амплитуда неискаженного выходного напряжения Uвыхm=5,857 В.
Начертим эквивалентные схемы и рассчитаем основные параметры усилителей по формулам таблицы 2, где Rвх − входное сопротивление каскада с учетом сопротивления делителя RБ, Rвых − выходное сопротивление каскада, Ki=Iн/Iвх − коэффициент усиления по току, KЕ=Uвых/Ег – коэффициент усиления ЭДС Ег источника сигнала, Кu=Uвых/Uвх − коэффициент усиления по напряжению относительно входного напряжения Uвх, Кр=Рвых/Рвх − коэффициент усиления по мощности, знак || означает параллельное соединение резисторов. Результаты расчета занесём в таблицу 3.
Рисунок 10—Эквивалентным схемам для переменных составляющих тока и напряжения с общим эмиттером (а) и с общим коллектором (б)
Таблица 2—Основные параметры усилителей
Параметры усилителя | Схема с общим эмиттером | Схема с общим коллектором |
Rвх | Rб1 || rвх1; Rб1=R1 || R2; rвх1=rб+(1+b)rэ | Rб2 || [Rн2~(1+b)]; Rб2=R3 || R4 |
Rвых | Rк1 || r | ; |
Ki | ; | |
Ku | ||
KE | ||
Kp | Ki1 Ku1 | Ki2 Ku2 |
Rн~ |
|
|
Таблица 3—Результаты расчётов
№ варианта | Схема включения | Результаты | Параметры | |||||
Rвх, кОм | Rвых, кОм | КЕ | Ku | Ki | Kp | |||
1 | с общим эмиттером | Расчет | 1,99 | 0,8 | 2,24 | 2,71 | 23,14 | 50,21 |
1 | с общим коллектором | Расчет | 0,09 | 0,05 | 0,06 | 0,79 | 0,36 | 0,28 |
Рассчитаем коэффициент температурной нестабильности S по формуле:
Зная β=50, подставив данные в следующию формулу:
Получим уравнение:
Откуда следует α=0,98.
Подставив данные получаем коэффициент температурной нестабильности S для схемы с общим эмиттером равный:
Подставив данные получаем коэффициент температурной нестабильности S для схемы с общим коллектором равный:
Рассчитаем частоты fн, fв, f0 и углы сдвига фаз jн, jв.
Частоты fн, f0 и fв определяем из приближенных выражений:
Для схемы с общим эмиттером:
, ;
где ;
Постоянная времени перезаряда конденсатора Ср1:
Постоянная времени перезаряда конденсатора Ср2:
Постоянная времени перезаряда конденсатора Сэ1:
Постоянная времени перезаряда эквивалентной емкости коллекторного перехода:
Подставив данные рассчитаем постоянную времени перезаряда конденсатора Ср1:
=(1,1+1,99)∙30=92,7
Подставив данные рассчитаем постоянную времени перезаряда конденсатора Ср2:
=(0,8+1)∙30=54
Подставив данные рассчитаем постоянную времени перезаряда конденсатора Сэ1:
=
Подставив данные рассчитаем постоянную времени перезаряда эквивалентной емкости коллекторного перехода:
=
Подставив данные получаем:
=1/(92,7-1+54-1+13,43-1)=10
Расчитаем частоты fн, f0 и fв определять из приближенных выражений:
, ;
fн1=1/2πτн1=1/2∙3,14∙10=0,016 МГц
fв1=1/2πτв1=1/2∙3,14∙0,64=0,25 МГц
МГц
Для схемы с общим коллектором:
, , ;
где ;
Постоянная времени перезаряда конденсатора Ср3
Постоянная времени перезаряда конденсатора Ср4
Постоянная времени перезаряда конденсатора нагрузки Сн2.
Сн2
Подставив данные рассчитаем постоянную времени перезаряда конденсатора Ср3:
=(1,1+0,09)∙30=35,7
Подставив данные рассчитаем постоянную времени перезаряда конденсатора Ср4:
=(0,05+0,2)∙30=7,5
Подставив данные рассчитаем постоянную времени перезаряда эквивалентной емкости коллекторного перехода:
=
Подставив данные получаем:
=1/(35,7-1+7,5-1)=6,2
Расчитаем частоты fн, f0 и fв определять из приближенных выражений:
Для схемы с общим коллектором:
, , ;
fн2=1/2πτн2=1/2∙3,14∙6,2=0,026 МГц
fв2=1/2πτв2=1/2∙3,14∙0,0004=398,09 МГц
МГц
Расчитаем углы сдвига фаз jн, jв по следующим формулам:
, .
Для схемы с общим эмиттером:
Для схемы с общим коллектором:
.
Рассчитаем и построим частотные KE(f) и фазовые j(f) характеристики усилителей.
При расчете зависимостей и следует задаваться частотами f=(0,2; 0,5; 1; 2; 5) fн и f=(0,2; 0,5; 1; 2; 5) fв.
Таблица 4—Результаты расчётов для φ(f)
φн1(f) | 1,37 | 1,1 | 0,75 | 0,36 | -0,12 |
f от fн1 | 0,0032 | 0,008 | 0,016 | 0,032 | 0,08 |
φв1(f) | 0,12 | -0,36 | -0,75 | -1,1 | -1,37 |
f от fв1 | 0,05 | 0,125 | 0,25 | 0,5 | 1,25 |
φн2(f) | 1,25 | 0,87 | 0,47 | 0,1 | -0,38 |
f от fн2 | 0,0052 | 0,013 | 0,026 | 0,052 | 0,13 |
φв2(f) | 0,12 | -0,35 | -0,75 | -1,1 | -1,37 |
f от fв2 | 79,618 | 199,045 | 398,09 | 796,18 | 1990,45 |
Таблица 4—Результаты расчётов для КЕ(f)
КЕ1(f) | 0,44 | 1,01 | 1,64 | 2,1 | 2,22 |
f от fн1 | 0,0032 | 0,008 | 0,016 | 0,032 | 0,08 |
КЕ1(f) | 2,22 | 2,1 | 1,64 | 1,02 | 0,44 |
f от fв1 | 0,05 | 0,125 | 0,25 | 0,5 | 1,25 |
КЕ2(f) | 0,02 | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,06 |
f от fн2 | 0,012 | 0,027 | 0,042 | 0,054 | 0,059 |
КЕ2(f) | 0,059 | 0,054 | 0,042 | 0,027 | 0,012 |
f от fв2 | 79,618 | 199,045 | 398,09 | 796,18 | 1990,45 |
Построим частотные KE(f) и фазовые j(f) характеристики усилителей.
Рисунок 11—Фазовые j(f) характеристики усилителей (масштаб для f: φн1(f)=100:1, φв1(f)=10:1, φн2(f)=100:1, φв2(f)=1:200)
Рисунок 12—Частотные KE(f) характеристики усилителей (масштаб для: KE (f н1)=2:1, KE(f в1)=2:1, KE(f н2)=200:1, KE(f в2)= 200:1, f н1=100:1, f в1=10:1, fн2=100:1, f в2= 1:200)
Рассчитаем коэффициенты частотных искажений Мн и Мв.
Коэффициенты частотных искажений определяем из выражений:
Для схемы с общим эмиттером:
,
где ;
;
, ;
, ωв1=2πfв1.
Согласно формулам производим расчёты:
ωв1=2πfв1=2∙3,14∙0,25=1,57;
ωн1=2πfн1=2∙3,14∙0,0016=0,01;
Для схемы с общим коллектором:
,
где ;
, ;
, .
Согласно формулам производим расчёты:
ωв2=2πfв2=2∙3,14∙398,09=2505;
ωн2=2πfн2=2∙3,14∙0,026=0,16;
Литература
Жаворонков М.А. Электротехника и электроника. – М.: Академия, 2005.
Новиков Ю.Н. Электротехника и электроника. – СПб.: Питер, 2005.
Касаткин А.С. Курс электротехники. – М.: Высшая школа, 2005.
Миловзоров О.В. Электроника. – М.: Высшая школа, 2005.
Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети телекоммуникации. - СПб.: Питер, 2005.
Хамахер К. Организация ЭВМ. – СПб.: Питер, 2003.
Безладнов Н.Л. Усилительные устройства.—Л.: СЗПИ,1971.
Войшвилло Г.В. Усилительные устройства.—М.: Радио и связь,1983.
Павлов В.М., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств.—М.: Радио и связь, 1997.