Меню

Для усилительного каскада с общим эмиттером определить напряжение

Усилительный каскад с общим эмиттером

date image2015-08-21
views image11959

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном с общим эмиттером, приведена на рис.6.1.

Основными элементами являются источник питания Eк, транзистор VT и резистор Rк, являющийся коллекторной нагрузкой транзистора. Транзистор, управляемый током базы, и резистор Rк обеспечивают формирование переменного выходного напряжения каскада при подаче на него переменного сигнала.

Разделительный конденсатор Cp1 предотвращает протекание постоянного тока, созданного источником Eк, через источник входного сигнала и позволяет обеспечить независимость режима покоя транзистора VT от внутреннего сопротивления источника входного сигнала.

Разделительный конденсатор Cp2 не пропускает в цепь нагрузки постоянную составляющую напряжения, падающего на выходе с транзистора. В результате выходное напряжение Uвых каскада является знакопеременным.

Резисторы R1 и R2 задают режим покоя транзистора, а резистор Rэ осуществляет его температурную стабилизацию. Конденсатор Cэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, предотвращая снижение коэффициентов усиления каскада.

Принцип работы усилительного каскада заключается в следующем. При Uвх=0 транзистор находится в состоянии покоя: в цепи его базы течет постоянный ток Iбп, в цепи коллектора – постоянный ток Iкп, напряжение на выходе транзистора Uкэп также постоянно, ток нагрузки и выходное напряжение каскада равны нулю. Переменное входное напряжение (Uвх ≠ 0), прикладываемое к транзистору, вызывает появление переменной составляющей тока базы iБ

, что приводит к появлению переменной составляющей тока коллектора iк

. За счет последней на резисторе Rк создается переменное падения напряжения URк

, которое через конденсатор Cp2 передается на выход каскада. В цепи нагрузки появляется переменный ток.

Усилительные свойства каскада зависят от амплитуды и частоты входного сигнала. Влияние амплитуды входного сигнала на амплитуду выходного отражает амплитудная характеристика усилителя. Она снимается при постоянной частоте, соответствующей диапазону средних частот, и синусоидальной форме входного сигнала. Примерный вид амплитудной характеристики показан на рис.6.2.

На амплитуде выделен рабочий участок б-в, в пределах которого выходной сигнал также имеет синусоидальную форму, а его амплитуда пропорциональна амплитуде входного сигнала. На участке а-б выходной сигнал плохо различим на фоне собственных шумов усилителя. На участке в-г выходной сигнал усилителя несинусоидален, т.к. режим работы транзистора становится нелинейным при этом полуволна выходного сигнала ограничиваются по уровню. Такое искажение формы выходного сигнала усилителем называют нелинейным. Причинами нелинейных искажений являются отсечка и насыщение транзистора.

Влияние частоты входного сигнала на амплитуду выходного сигнала отражает амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя. Под АЧХ понимается зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты синусоидального входного сигнала неизменной амплитуды. Примерный вид АЧХ показан на рис.6.3. На амплитуде можно выделить полосу средних частот (участок а-б), в котором коэффициент усиления примерно постоянен и равен КUo, полосу низких частот (участок 0-а) и полосу высоких частот (участок б-в).

Снижение коэффициента усиления в полосе низких частот обусловлено влиянием конденсаторов Cp1, Cp2 и Cэ, а снижение коэффициента усиления в полосе высоких часто обусловлено частотными свойствами транзистора (снижением его коэффициента передачи тока с ростом частоты) и шунтирующим влиянием емкости коллекторного перехода транзистора по отношению к выходной цепи.

Если входной сигнал содержит гармонические составляющие, частоты которых лежат в различных полосах АЧХ усилителя, то они усиливаются по-разному, из-за чего форма выходного сигнала отличается от формы входного. Такие искажения формы выходного сигнала усилителя называют частотными. Количественной характеристикой частотных искажений является коэффициент частотных искажений М, определяемый по формуле

, (6.1)

где KU(f) и M(f) – коэффициенты усиления и частотных искажений на произвольной частоте f.

Частотные свойства усилителя характеризует также его полоса пропускания ∆f, лежащая между нижней fН и верхней fВ граничными частотами (рис.6.3). В качестве последних принимают частоты, на которых коэффициент частотных искажений равен . Значения граничных частот и ширина полосы пропускания зависят от емкостей конденсаторов усилителя и параметров его транзистора.

Источник



Расчёт транзисторного усилительного каскада по схеме с общим
эмиттером (ОЭ).

Онлайн калькулятор номиналов элементов различных модификаций схем ОЭ,
выполненных на биполярных транзисторах.

Вооружившись знаниями, полученными на предыдущей странице, давайте перейдём к конкретным схемам. А начнём мы со схемы наиболее распространённого усилительного каскада, использующего включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи. При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера, а выходными величинами являются коллекторный ток и напряжение на коллекторе относительно эмиттера.
При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.
Основным плюсом включения транзистора по схеме усилителя с общим эмиттером (ОЭ) является способность получать наибольшее усиление по мощности, в связи со свойством такого каскада усиливать как ток, так и напряжение.

Собственно говоря, и характеристики у данной схемы очень схожи с теми, что мы рассматривали на предыдущей странице:

Ну а поскольку мы здесь рассматриваем упрощённый и сугубо частный случай, когда Rист > Rвых, то и мудрить особо не будем:

Для наглядной иллюстрации данного утверждения приведём формулы:

Данное схемотехническое решение позволяет производить регулировку усиления каскада в широких пределах, не меняя при этом режим транзистора по постоянному току.

Перенесу сюда калькулятор для расчёта характеристического сопротивления конденсатора.

Источник

Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)

Схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi. В настоящее время она обычно применяется в виде готовых интегральных микросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы, практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы.Именно поэтому при приеме на работу и поиске сотрудников основным требованием является знание принципов работы усилителей с ОЭ.

Усилитель, каким бы он не был, (усилитель аудио, ламповый усилитель или усилитель радиочастоты) представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим эмиттером — это усилитель, где эмиттер транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. В настоящее время схема с общим эмиттером практически не применяется в звуковых усилителях, однако в схемах усилителей телевизионного сигнала, усилителях GSM или других высокочастотных усилителях она находит широкое применение. Для питания транзистора в схеме с общим эмиттером можно использовать два источника питания, однако для этого потребуется два стабилизатора напряжения. В аппаратуре с батарейным питанием это может быть проблематично, поэтому обычно применяется один источник питания. Для питания усилителя с общим эмиттером может подойти любая из рассмотренных нами схем:

  • схема с фиксированным током базы,
  • схема с фиксированным напряжением на базе,
  • схема с коллекторной стабилизацией,
  • схема с эмиттерной стабилизацией.

Рассморим пример схемы усилителя с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией режима работы транзистора. На рисунке 3 приведена принципиальная схема каскада на биполярном npn-транзисторе, предназначенная для усиления звуковых частот.

Рисунок 3 Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером

Расчет элементов данной схемы по постоянному току можно посмотреть в статье «схема эмиттерной стабилизации». Сейчас нас будут интересовать параметры усилительного каскада, собранного по схеме с общим эмиттером. Его наиболее важными характеристиками является входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по мощности. В основном эти характеристики определяются параметрами транзистора.

Входное сопротивление схемы с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером входное сопротивление транзистора RвхОЭ можно определить по его входной характеристике. Эта характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой p-n перехода. Пример входной характеристики кремниевого транзистора (зависимость напряжения Uб от тока базы Iб) приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Входная характеристика кремниевого транзистора

Как видно из этого рисунка, входное сопротивление транзистора RвхОЭ зависит от тока базы Iб0 и определяется по следующей формуле:

Как определить ΔUб0 и ΔIб0 в окрестностях рабочей точки транзистора в схеме с общим эмиттером показано на рисунке 5.

Рисунок 5 Определение входного сопротивления схемы с общим эмиттером по входной характеристике кремниевого транзистора

Определение сопротивления по формуле (1) является наиболее точным способом определения входного сопротивления. Однако при расчете усилителя мы не всегда имеем под рукой транзисторы, которые будем использовать, поэтому было бы неплохо иметь возможность рассчитать входное сопротивление аналитическим способом. Вольтамперная характеристика p-n перехода хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

где Iб — ток базы в рабочей точке;
Uбэ — напряжение базы в рабочей точке;
Is — обратный ток перехода эмиттер-база;
— температурный потенциал;
k — постоянная Больцмана;
q — заряд электрона;
T — температура, выраженная в градусах Кельвина.

В этом выражении коэффициентом, нормирующим экспоненту, является ток Is, поэтому чем точнее он будет определен, тем лучше будет совпадение реальной и аппроксимированной входных характеристик транзистора. Если в выражении (2) пренебречь единицей, то напряжение на базе транзистора можно вычислить по следующей формуле:

Из выражения (1) видно, что входное сопротивление является производной напряжения на базе транзистора по току. Продифференцируем выражение (3), тогда входное сопротивление схемы с общим эмиттером можно определить по следующей формуле:

Однако график реальной входной характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, отличается от экспоненциальной функции. Это связано с тем, что омическое сопротивление полупроводника в базе транзистора не равно нулю, поэтому при больших базовых токах транзистора в схеме с общим эмиттером ее входное сопротивление будет стремиться к омическому сопротивлению базы rбб’.

Входной ток схемы с общим эмиттером протекает не только через входное сопротивление транзистора, но и по всем резисторам цепей формирования напряжения на базе транзистора. Поэтому входное сопротивление схемы с общим эмиттером определяется как параллельное соединение всех этих сопротивлений. Пути протекания входного тока по схеме с общим эмиттером показаны на рисунке 6.

Рисунок 6 Протекание тока по входным цепям схемы с общим эмиттером

Значительно проще вести анализ данной схемы по эквивалентной схеме входной цепи, где приведены только те цепи, по которым протекает входной ток от источника сигнала. Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером

Данная схема построена для средних частот с применением эквивалентной схемы транзистора. На средних частотах входная емкость транзистора не оказывает влияния, поэтому мы ее не отображаем на эквивалентной схеме. Сопротивление конденсатора C3 на средних частотах близко к нулю, поэтому на схеме нет элементов R4C3. Элементы Rвых и h21×iвх не влияют на входную цепь и изображены на схеме для отображения усилительных свойств транзистора.

И, наконец, мы можем записать формулу входного сопротивления схемы с общим эмиттером:

После изготовления усилителя, рассчитанного по приведенным выше методикам необходимо измерить входное сопротивление схемы с общим эмиттером. Для измерения входного сопротивления используют схему измерения входного сопротивления усилителя, изображенную на рисунке 8. В данной схеме для измерения входного сопротивления используются измерительный генератор переменного напряжения и два высокочастотных вольтметра переменного тока (можно воспользоваться одним и сделать два измерения).

Рисунок 8 Схема измерения входного сопротивления усилительного каскада

В случае, если сопротивление Rи будет равно входному сопротивлению усилителя, напряжение, которое покажет вольтметр переменного тока V2, будет в два раза меньше напряжения V1. В случае, если нет возможности изменять сопротивление Rи при измерении входного сопротивления, входное сопротивление усилителя можно вычислить по следующей формуле:

Выходное сопротивление схемы с общим эмиттером

Выходное сопротивление транзистора зависит от конструктивных особенностей транзистора, толщины его базы, объемного сопротивления коллектора. Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, можно определить по выходным характеристикам транзистора. Пример выходных характеристик транзистора приведен на рисунке 9.

Рисунок 9 Выходные характеристики кремниевого транзистора

К сожалению, в характеристиках современных транзисторов выходные характеристики обычно не приводятся. Связано это с тем, что их выходное сопротивление достаточно велико и выходное сопротивление транзисторного каскада с общим эмиттером определяется сопротивлением нагрузки. В схеме, приведенной на рисунке 6, это сопротивление резистора R3.

Дата последнего обновления файла 31.05.2018

  1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
  2. npn транзистор общего назначения КТ3130
  3. NPN general purpose transistors BC846; BC847; BC848 (один из лучших транзисторов, известных мне)
  4. BFQ67 NPN 8 GHz wideband transistor
  5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
  6. Электротехника и электроника Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Вместе со статьей «Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)» читают:

Источник

Читайте также:  Стабилизатор напряжения 12 вольт одним блоком
Adblock
detector