Здавалка
Главная | Обратная связь

Теоретичні відомості



РОЗРОБКА ТРАНЗИСТОРНОГО ПІДСИЛЮВАЧА НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ

1.1 Модель біполярного транзистора

 

Розглянемо просту, зручну для практичного використання модель біполярного транзистора, коли він представляється як послідовне включення назустріч один одному двох діодів. Це модель Еберса-Молла.

Розрізняють три режими роботи біполярного транзистора: активний, відсічки, і насичення.

В активному (лінійному) режимі перехід база-емітер відкритий, падіння напруги на емітерному переході для кремнієвого транзистора становить 0,6…0,7 В; для германієвого 0,2…0,3 В. Перехід база-колектор зсунуто у зворотному напрямі, опір переходу близько 1 МОм.

У режимі відсічки обидва переходи закриті. У режимі насичення обидва переходи зсунуті в прямому напрямку, при цьому падіння напруги колектор-емітер дорівнює 0,5…1 В для кремнієвого транзистора (може доходити до 0,1 В для ключових транзисторів) і близько 0,2 В – для германієвого.

У режимах відсічки і насичення транзистори працюють в ключових (цифрових) схемах. У підсилювачах аналогових сигналів транзистори працюють в активному режимі.

В активному режимі колекторний струм залежить від напруги між базою і емітером . Ця залежність може бути виражена за допомогою формули Еберса-Молла (вона також описує залежність струму діоду від напруги)

, (2.1)

де – тепловий струм через емітерний перехід, утворений за рахунок неосновних носіїв при =0; – тепловий потенціал, при 20°С 25,3 мВ; – стала Больцмана; – абсолютна температура; – заряд електрона.

В активному режимі і тому членом -1 можна знехтувати

. (2.2)

Слід пам’ятати, що струм колектора залежить від напруги між базою і емітером і не залежить від струму бази . Струм бази в грубому наближенні визначається = – коефіцієнтом підсилення струму бази у схемі із спільним емітером. Струм бази

, (2.3)

тобто також залежить від .

Розрізняють стаціонарний коефіцієнт підсилення струму бази за схемою із спільним емітером і динамічний . Для більшості практичних цілей їх можна вважати рівними. При розрахунках не слід прив’язуватися до параметра тому, що для різних транзисторів одного і того ж типу його величина може змінюватися від 50 до 300. Він також залежить від струму колектора , напруги між колектором і емітером і температури. Схему можна вважати поганою, якщо на її характеристики впливає величина .

На основі моделі Еберса-Молла можна отримати деякі залежності, які зручно використовувати при аналізі та розробці схем.

1. Визначимо динамічний опір емітерного переходу . Та як , то для цього скористаємося формулою (2.2), звідки

. (2.4)

Візьмемо тепер похідну

. (2.5)

Отже

 

, (2.6)

Це власний опір емітера, він виступає у якості послідовного опору в емітерній ланці (в усіх транзисторних схемах).

2. Із рівняння Еберса-Молла випливає, що треба збільшити на 60 мВ при кімнатній температурі для того, щоб струм колектора збільшився в 10 раз.

3. Розглянемо температурну залежність. Відомо, що залежить від температури, напруга зменшується на -2,1 мВ/°С. Це призводить до того, що колекторний струм при фіксованому потенціалі бази відносно емітера при підвищенні температури на кожні 30°С буде збільшуватися в 10 разів.

 

1.2 Підсилюючий каскад низької частоти за схемою із спільним

емітером

 

При побудові підсилювачів найбільше поширення отримати каскади на біполярних транзисторах, які використовують схему включення транзистора із спільним емітером. Рідко використовуються схеми включення із спільним колектором. Схеми включення із спільною базою мають вузьке використання, переважно у високочастотних схемах.

Розглянемо класичну схему підсилюючого каскаду за схемою із спільним емітером, яка представлена на рис.2.1.

 

Рисунок 2.1 – Підсилюючий каскад за схемою із спільним емітером

 

Призначення компонентів схеми

Резистор сумісно з джерелом живлення утворює основне коло підсилення.

Резистори і утворюють дільник напруги для подачі фіксованого зміщення на базу для того, щоб задати робочу точку і транзистор знаходився у активному режимі.

Резистор утворює напругу послідовного від’ємного зворотного зв’язку (ВЗЗ) за постійним струмом для стабілізації робочої точки транзистора (стабілізації відносно змінювання температури, змінювання напруги джерела живлення, заміни транзистора). Стабілізуючу дію можна пояснити наступним чином. Наприклад, із підвищенням температури збільшився струм спокою колектора , при цьому також відповідно збільшиться і струм емітера . Напруга на емітері зросте. Так як , а напруга на базі фіксується дільником , , то це призводить до зменшення і відповідного зменшення струму колектора.

Конденсатор шунтує за змінним струмом на частотах сигналу для зменшення від’ємного зворотного зв’язку за змінним струмом.

Конденсатори , з розділяючими (блокуючими): розв’язує джерело сигналу і підсилювач за постійним струмом (щоб внутрішній опір джерела сигналу не шунтував ); розв’язує підсилювач і навантаження за постійним струмом.

 

Оцінка параметрів схеми

Оцінимо коефіцієнт підсилення спочатку за постійним струмом, для цього будемо вважати, що конденсатори і в схемі відсутні.

. (2.7)

Так як напруга на емітері повторює змінювання напруги на базі , а змінювання струму емітера дорівнює

, (2.8)

тоді

. (2.9)

Якщо , тоді

(2.10)

і практично не залежить від струму колектора.

Оскільки конденсатор шунтує за змінним струмом, то коефіцієнт підсилення за змінним струмом можна оцінити за формулою

. (2.11).

Знак «-» в (2.9)-(2.11) вказує на те, що вихідний сигнал є протифазним вхідному.

З урахуванням опору навантаження , яке увімкнуто паралельно , слід в цих виразах (2.9)-(2.11) замість підставляти

. (2.12)

Тут паралельність і витікає з того, що опір транзистора становить порядку 1 МОм (перехід база-колектор зсунуто у зворотному напрямку), а джерело живлення є ідеальним джерелом напруги із =0.

Конденсатор обирають таким чином, щоб у робочій смузі частот ним можна було знехтувати. Вхідний опір схеми являє собою паралельне з’єднання і вхідного опору транзистора з боку бази

. (2.13)

Так як , то

, (2.14)

звідки

. (2.15)

Оскільки , тоді

. (2.16)

А вхідний опір транзистора з боку бази за постійним струмом з урахуванням буде дорівнювати

. (2.17)

Таким чином, вхідний опір схеми підсилювача можна оцінити за виразом

, (2.18)

так як шунтується конденсатором за змінним струмом на частотах сигналу.

Вихідний опір схеми визначається як паралельне з’єднання і вихідного опору транзистора з боку колектора. Останній порівняно великий (порядку 1 МОм), тому

. (2.19)

 

Методика попереднього розрахунку

Існують потужні програмні засоби схемотехнічного моделювання електронних пристроїв, зокрема такі як Micro-Cap, Electronics Workbench, Microwave Office. Вони мають бібліотеки сучасної компонентної бази. Тому в теперішній час втрачена потреба у складних, детальних розрахунках електронних схем. У зв’язку з цим є необхідність у спрощених методиках попереднього (стартового) розрахунку, орієнтированих на подальшу комп’ютерну оптимізацію характеристик схем для задоволення вимог технічного завдання на проектування. Нижче приведена така методика розрахунку підсилюючого каскаду за схемою із спільним емітером, вихідними даними якої є:

· – опір навантаження;

· – амплітуда вихідного сигналу;

· – нижня частота робочого діапазону;

· – верхня частота робочого діапазону.

При розрахунках зручно вважати: =0,6 В (для кремнієвих транзисторів), =100 (для малопотужних транзисторів).

1. Напруга живлення , обирається із ряду номінальних значень 1,2; 1,5; 2,4; 3,0; 4,0; 4,5; 5,0; 5,2; 6,0; (6,3); 9,0; (10,0); 12,0; 12,6; 15,0; 20,0; 24,0; 27,0; 30,0; 36,0; 48,0; 60,0; 80,0 В. (Номінальні значення, указані в дужках використовуються після погодження із замовником). Напруга живлення повинна перевищувати розмах вихідної напруги . Нелінійні викривлення зменшуються при посилені цієї нерівності. Зазвичай обирають

. (2.20)

2. Для погодження опорів в НЧ схемах вихідний опір підсилювача повинен перевищувати опір навантаження, достатньо щоб

. (2.21)

3. Добрі результати по стабілізації дає вибір опору емітерного резистора

=0,1 . (2.22)

4. Так як повинен шунтувати на частотах сигналу для зменшення ВЗЗ за змінним струмом, то його ємність вибирається із нерівності

(2.23)

» – на порядок менше, за звичай =6-10 мкФ).

5. З вхідним опором підсилювача утворює ФВЧ (диференцююче RC-коло), тому його ємність вибирається із нерівності

. (2.24)

6. Конденсатор утворює із навантаженням ФВЧ, тому його ємність вибирається із нерівності

. (2.25)

7. Струм дільника і повинен набагато перевищувати струм бази, щоб змінювання струму бази в процесі роботи не впливало на напругу зміщення. Для чого || . Тому опори резисторів і знаходять, вирішуючи систему рівнянь:

, (2.26)

де ;

|| , (2.27)

де .

8. Тип транзистора для цієї схеми обирають насамперед за призначенням та за значеннями гранично допустимих параметрів. Це гранична частота ( частота, на якій модуль коефіцієнта передачі у схемі із спільним емітером екстраполюється до 1), максимально допустима напруга колектор-емітер , максимально допустимий струм колектора .

ü Гранична частота підсилення транзистора має бути в 3…5 раз вище верхньої частоти спектра сигналу.

ü Рекомендують обирати транзистор з =(1,1…1,25) .

ü Повинна задовольнятися умова , де – амплітудне значення струму через навантаження.

 

1.3 Підсилюючий каскад за схемою із спільним колектором

(емітерний повторювач)

 

Емітерним повторювачем називається каскад, охоплений 100% послідовним ВЗЗ. Призначення емітерного повторювача полягає в узгоджені імпедансів джерел сигналів і навантажень.

Наявність 100% ВЗЗ зв’язку передбачає, що в емітерному повторювачі вихідний сигнал і сигнал зворотного зв’язку рівні. Типова схема емітерного повторювача показана на рис.2.2. Видно, що в схемі відсутній резистор , а вихідний сигнал знімається безпосередньо з резистора зворотного зв’язку . Така трансформація змінює схему включення транзистора, перетворюючи її в схему із спільним колектором (вважається, що джерело живлення є ідеальним джерелом напруги із =0).

На відміну від підсилювача за схемою із спільним емітером, схема із спільним колектором не інвертує вхідний сигнал. Дійсно, якщо до входу емітерного повторювача прикласти напругу, рівень якої збільшується, то це призведе до збільшення емітерного струму і відповідного збільшення вихідної напруги.

Рисунок 2.2 – Емітерний повторювач

Оцінка параметрів схеми

Так як , то вихідний сигнал, який знімається з емітера, менше вхідного на величину . Таким чином, коефіцієнт підсилення за напругою дещо менше одиниці <1. Не маючи підсилення за напругою, емітерний повторювач забезпечує значне підсилення за струмом

. (2.28)

Слідством чого є значне підсилення за потужністю ( ).

Вхідний опір, як і в попередній схемі, являє собою паралельне з’єднання і вхідного опору транзистора з боку бази . Так як (див. формули (2.17)-(2.18)), то

. (2.29)

Цей вираз говорить про те, що в емітерному повторювачі можна отримати дуже велике значення вхідного опору. Це є одним із основних достоїнств цього каскаду.

Для визначення вихідного опору схеми спочатку оцінимо опір з боку емітера без врахування , і (рис.2.3).

 

Рисунок 2.3 – Схема для оцінки вихідного опору емітерного повторювача

. (2.30)

Так як напруга на емітері повторює змінювання напруги на базі , а змінювання струму емітера дорівнює , тоді

. (2.31)

Оскільки , то значення можна не враховувати при паралельному з’єднанні. З урахуванням дільника , вихідний опір емітерного повторювача дорівнює

. (2.32)

Залежність вихідного опору емітерного повторювача від внутрішнього опору джерела сигналу є певним недоліком даної схеми.

Методика попереднього розрахунку

Вихідними даними розрахунку емітерного повторювача є

· – опір навантаження;

· – амплітуда вихідного сигналу;

· – нижня частота робочого діапазону;

· – верхня частота робочого діапазону.

1. Напруга живлення повинна перевищувати розмах вихідної напруги . Нелінійні викривлення зменшуються при посилені цієї нерівності. Зазвичай обирають

. (2.33)

2. Значення обирають виходячи із того, щоб у стані спокою падіння напруги на ньому дорівнювало . Чим менше , тим очікується менший вихідний опір схеми . Зазвичай обирають колекторний струм спокою 1 мА, чи кілька мА. Враховуючи, що , тоді

. (2.34)

3. , , і – мають таке ж саме призначення, що і в схемі підсилювача за схемою із спільним емітером, і розраховуються за формулами (2.24)-(2.27).








©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.