Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Электроника

Усилительный каскад с общим эмиттером  Просмотрен 37

 

Название каскад берет по выводу транзистора, являющимся общим для входной и выходной цепей. В простейшем случае схема усилительного каскада с общим эмиттером в соответствии с рис. 2.2 имеет вид представленный на рис. 2.3,а. Выполним графический расчет каскада (рис.2.3,а), полагая заданными семейство входных (рис. 2.3,б) и выходных характеристик транзистора (рис. 2.3,в), напряжение в цепи управления Uу = 0,25 + 0,02sinwt, сопротивление нагрузки Rн = 500 Ом, ЭДС источника питания в выходной цепи Е = 10 В.

 

Семейство входных характеристик транзистора, как это видно из рис. 2.3,б, обладает той особенностью, что в интервале значений Uэк = 0,2…10 В зависимость тока базы iб от напряжения между эмиттером и базой изображается одной и той же кривой (практически не зависит от величины uэк).

Найдем значение тока iб = Iб0 при отсутствии синусоидального сигнала на входе, т.е. в режиме, когда на вход цепи управления действует только постоянное напряжение Uу0 = 0,25 В (цепь управления замкнута через источник сигнала).

Из рис. 2.3,б следует, что при Uэб = 0,25 В ток Iб = Iб0 =

=250 мкА (точка n). Для данного режима транзистор можно рассматривать как нелинейное сопротивление с одной ВАХ Uк(Iк), определяемой током базы Iб = 250 мкА. Эта ВАХ задана на семействе выходных характеристик (рис 2.3,в). Расчет цепи, содержащей это нелинейное сопротивление и линейный резистор Rн, можно выполнить методом пересечения характеристик. Запишем уравнение цепи

Iк Rн +Uк(Iк)=E.

Преобразуем его

Uк(Iк)=Е– Iк Rн.

Точка пересечения нелинейной зависимости Uк(Iк) и линейной зависимости Е – Iк Rн определит решение этого уравнения. Для этого на семействе выходных характеристик (рис.2.3,в) проведем прямую, определяемую уравнением U=E – IRн. Ее можно построить по двум точкам: при I=0 получаем точку на оси абсцисс U=E и при U=0 – точку на оси ординат I=E/R. Точка пересечения n этой прямой, которую называют линией нагрузки, с ВАХ нелинейного элемента определяет ток нагрузки, т.е. Iк = 13 мА. Проекция этой точки на ось напряжений определяет напряжение на транзисторе Uэк = 3,5 В и напряжение на нагрузке Uн=E – Uэк =6,5 В.

Для анализа режимов работы каскада рассмотрим еще две характерных точки, когда напряжение в цепи управления достигает максимального и минимального значений, т.е. когда Uу = 0,27 В и

Uу = 0,23 В.

Линеаризируем входную характеристику в рабочей точке.

С этой целью в окрестности точки n (рис. 2.3,б) проведем прямую так, чтобы она на возможно большем участке совпала с касательной к кривой Iб = F(uэб) в точке n. Крайними точками проведенной прямой будем считать точки p и m. В точке p ток Iб = 400 мкА и напряжение uэб = 0,27 В. В точке m Iб = 150 мкА и uэб =0,23 В. Этим точкам соответствуют одноименные точки p’ и m’ на рис. 2.3,в.

В точке p’ ток коллектора Iк = 18,6 мА, напряжение Uэк = 1 В, в точке m’ Iк =8,6 мА, напряжение Uэк = 6 В. Таким образом, при подаче на вход схемы синусоидального напряжения с амплитудой Uэб тax = 0,02 В в цепи управления появится синусоидальная составляющая тока, имеющая амплитуду Iб тax= Iу тax=(400-150)/2= 125 мкА, а в выходной цепи, кроме постоянного тока Iк0, появится синусоидальный ток с амплитудой

Iк тax = (18,6 – 8,6)/2 = 5 мА.

При этом на выходных зажимах транзистора будет действовать синусоидальная составляющая напряжения, имеющая амплитуду

Uэк тax = (6 – 1)/2 =2,5 В.

Найдем искомые коэффициенты усиления. Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

Входное сопротивление транзистора между зажимами эмиттер – база для синусоидальной составляющей равно

Ом

Выходное сопротивление между зажимами эмиттер – база для синусоидальной составляющей равно

Ом

В тепловом отношении транзистор работает в ненапряженных условиях, так как мощность, выделяемая в нем в режиме, соответствующем точке n, равна

Uэк0Iк0 = 3,5 В × 13 = 45,5 мВт,

Графический метод позволяет анализировать изменения режимов работы каскада при изменении входного сигнала. Рассмотрим четыре характерных режима.

1. Если постоянная составляющая входного сигнала окажется лишь не на много больше оптимального значения, например Eyo = =0,27 В, то изменится положение точки n’ на линии нагрузки – она сместится вверх в то место, где была точка p’. Тогда верхняя полуволна тока коллектора и напряжения на нагрузке будут обрезаны (в нагрузку пройдет только нижняя полуволна). Это так называемый режим насыщения.

2. Если постоянная составляющая окажется ниже оптимального значения, например Eyo = 0,2 В, то точка n’ сместится вниз и окажется вблизи оси абсцисс. При этом в нагрузку не пройдет нижняя полуволна переменного сигнала (это режим отсечки).

3. Если амплитуда входного сигнала окажется больше оптимальной, например 0,04 sinωt, то верхняя и нижняя полуволны выходного сигнала будут обрезаны и вместо синусоиды ток и напряжение на нагрузке будут иметь трапецеидальную переменную составляющую.

4. Если сопротивление нагрузки велико, например Rн = 1 кОм, то изменится наклон линии нагрузки (она пройдет через другую точку на оси ординат Iк= 10 мА). При этом точка n’ окажется на оси ординат и верхняя полуволна выходного сигнала будет обрезана. Такая же ситуация окажется, если уменьшить напряжение питания, например Eко = 5 В.

Тогда линия нагрузки пройдет через точки Uэк=5В и Iк=10 мВ.

Таким образом, усилительный каскад обеспечивает усиление сигнала без существенного искажения только при строго определенных значениях входного напряжения, напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Постоянную составляющую напряжения в цепи управления можно получить как часть напряжения питания, используя делитель напряжения на двух резисторах (рис. 2.8) или с помощью одного резистора (рис. 2.4). Если определены ток базы Iб0 и напряжение Uбэ0 (в так называемом режиме работы по постоянному току), то сопротивление Rб (рис. 2.4) можно определить Rб.= (Е - Uбэ0)/ Iб0

Конденсаторы Свх и Свых служат для выделения переменной составляющей сигнала (постоянный ток через них не проходит).

Для конкретного транзистора, выбранного из эксплуатационных или других соображений, расчет усилительного каскада выполняют следующим образом:

1. На семействе выходных характеристик отмечают область допустимых режимов работы транзистора (рис. 2.5). Эта область ограничивается сверху максимально допустимым током коллектора Iк.max, справа – максимально допустимым напряжением Uэк.max и максимально допустимой мощностью Pк.max.

2. Проводят линию нагрузки, несколько отступив от границ допустимой области работы. При этом определяются напряжения питания Е и сопротивление нагрузки Rн, которые должны быть из стандартного ряда значений этих величин.

3. Строят переходную характеристику Iк(Iб), для чего на координатной плоскости Iк(Iб) по оси Iб откладывают значения токов базы, названные на семействе выходных характеристик (300, 600, 900 мкА на рис. 2.5). Затем точки пересечения линий нагрузки с выходными характеристиками Iк (Uэк) для разных токов базы сносят на координатную плоскость Iк (Iб) и соединяют их линией (иногда вместо переходной пользуются передаточной характеристикой Iк (Uэб) .

4. Строят входную характеристику Iб(Uэб), повернутую ее на 90o так, чтобы ось Iб была параллельна оси Iб на переходной характеристике (и в том же масштабе).

5. На середине линии нагрузки выбирают точку n, проектируют ее на переходную характеристику (точку n) и далее на входную характеристику (точка n).Этим самым определяют величину Uбэ0 – постоянную составляющую напряжения в цепи управления (напряжение смещения).

6. Используя относительно линейный участок входной характеристики Iб(Uэб), находят положение точек р и m, тем самым определяя амплитуду переменного сигнала в цепи управления.

7. Проектируя точки p и m на переходную характеристику и затем на семейство выходных характеристик находят положения точек р и m, тем самым определяя амплитуды переменного тока коллектора и напряжения на транзисторе.

Важными параметрами транзистора являются так называемые малосигнальные h-параметры. Они характеризуют работу транзистора в основных режимах его работы – при малых изменениях токов и напряжений. Принято определять h-параметры, исходя из представления транзистора четырехполюсником (рис. 2.6).

Внутри четырехполюсника находится транзистор, подключенный по одной из схем ОБ, ОК, ОЭ.

Связь между входными (U1, I1) и выходными (U2, I2) напряжениями и токами можно выразить системой двух уравнений:

DU1 = h11DI1 + h12DU2 ;

DI2 = h21DI1 + h22DU2.

В качестве независимых переменных приняты приращения входного тока DI1 и выходного напряжения DU2, а DU1 и DI2 выражают через h-параметры:

- h11=DU1 / DI1 – входное сопротивление транзистора при U2 = const;

- h12=DU1 / DU2 – коэффициент обратной связи по напряжению при I1 = const;

- h21=DI2 / DI1 – коэффициент передачи тока при U2 = const;

- h22=DI2 / DU2 – выходная проводимость транзистора при I1 = const.

Конкретные значения h-параметров зависят от схемы включения, т.е. от того, какие напряжения и токи являются входными и выходными. При этом к h-параметру добавляют соответствующий индекс. Так, для схемы ОЭ коэффициент передачи тока будет обозначен h21э.

Системе уравнений с h-параметрами соответствует схема замещения транзистора для малого переменного сигнала (рис.2.7,а), На этой схеме обычно опускают знак Δ перед токами и напряжениями, заменяя их словами в названии «для малого переменного сигнала». В первом уравнении четырехполюсника слагаемым h12DU2 обычно пренебрегают, поскольку параметр h12 имеет очень малое значение. Оставшейся части первого уравнения четырехполюсника DU1 = h11DI1 соответствует входная цепь на рис 2.7.

Во втором уравнении четырехполюсника первое слагаемое можно представить на схеме замещения транзистора в виде зависимого источника тока J = h21DI1, а второе – в виде тока через резистор величиной, равной 1/ h22.

Усилительный каскад (рис. 2.4) может быть представлен для малого переменного сигнала схемой замещения (рис. 2.7,б).

Можно считать, что резистор Rб включен параллельно входу (через низкоомный источник питания). Однако обычно Rб >> h11, поэтому первым сопротивлением можно пренебречь. Тогда входной ток iвх будет определяться только входным сопротивлением транзистора h11:

uвх = iвхh11.

Для выходной цепи каскада, считая RН ® ¥, получаем

h21iвх + h22uвых + +uвых/Rк = 0.

Решая совместно полученные уравнения (и считая, что h22 << 1/Rк), получаем для режима холостого хода

, откуда или ,

.

Входное сопротивление в основном определяется входным сопротивлением транзистора h11:

.

А выходное сопротивление практически равно сопротивлению Rк:

.

 

Часто пользуются упрощенным расчетом УК ОЭ по выбору номиналов элементов:

1. Как правило, УК ОЭ является маломощным усилителем (усилителем напряжения), поэтому задаются небольшим током покоя коллектора Iк0 в пределах 0,8…1,2 мА (удобно принимать Iк0 = 1 мА).

2. Сопротивление Rк выбирают таким, чтобы в покое (в отсутствии входного сигнала) напряжение источника питания +U поровну делилось на Rк и на участке коллектор – эмиттер транзистора: Uк0 » U / 2. Например, для напряжения питания U = 12 В сопротивление Rк = 6 кОм (при Iк0 = 1 мА). Для ряда Е24 такого номинала не существует, поэтому принимают ближайший – 6,2 кОм.

3. Сопротивление Rб должно быть таким, чтобы обеспечить ток базы меньше, чем ток Iк0 в h21 раз. Если пренебречь падением напряжения Uбэ, то Rб = 2Rк h21э. Если, например, h21э= 100, а Rк=6,2 кОм, то Rб= 1,2 МОм.

4. Следует выбирать транзистор с граничной частотой, минимум в десять раз большей, чем верхняя частота усиливаемого диапазона: fгр ³ 10 fmax.

5. Реактивные сопротивления входного и выходного разделительных конденсаторов на нижней частоте усиливаемого диапазона должны составлять не более 1…10 % от входного и выходного сопротивлений каскада, соответственно. Например, если Rвх = 1 кОм и fН = 100 Гц, то емкость входного конденсатора

.

Предыдущая статья:Электронные усилители Следующая статья:Термостабилизация усилительного каскада с общим эмиттером
page speed (0.0195 sec, direct)