Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

2.07. Усилитель с общим эмиттером

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ



Рассмотрим источник тока, нагрузкой для которого служит резистор (рис. 2.26). Напряжение на коллекторе равно

Uк=Uкк - IкRк.

Рис. 2.26.

Можно через емкость задать сигнал в цепь базы, тогда напряжение на коллекторе будет изменяться. Рассмотрим пример, представленный на рис. 2.27. Конденсатор С выбран так, что фильтр высоких частот, образованный этим конденсатором и последовательно соединенными с ним резисторами смещения базы, пропускает все нужные частоты (резисторы в цепи базы обычно выбирают так, чтобы импеданс со стороны базы, т.е. входное сопротивление транзистора, был гораздо больше и им можно было пренебречь).

Рис. 2.27. Каскад усиления переменного тока с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера. Обратите внимание, что выходной сигнал снимается с коллектора, а не с эмиттера.

Иначе говоря,

C ≥ l/2πƒ(R1 || R2). Uк=Uкк

- IкRк.

Благодаря напряжению смещения, приложенному к базе, и наличию эмиттерного резистора сопротивлением 1,0 кОм ток покоя коллектора составляет 1,0 мА. Этот ток создает на коллекторе напряжение +10 В ( + 20 В минус падение напряжения на сопротивлении 10 кОм при протекании тока 1,0 мА). Допустим теперь, что на базу подан сигнал uб. Напряжение на эмиттере повторяет изменение напряжения на базе uэ - uб и вызывает изменение эмиттерного тока:

iэ = uэ/Rэ = uб/Rэ

и приблизительно такое же изменение коллекторного тока (транзистор имеет большой коэффициент h21э). Итак, первоначальное изменение напряжения на базе вызывает изменение коллекторного напряжения:

uк = - iкRк = - uб(Rк/Rэ)

Стоп! Получается, что схема представляет собой усилитель напряжения, коэффициент усиления которого определяется следующим образом:

Коэффициент усиления = uвых/uвх = - Rк/Rэ.

В нашем примере коэффициент усиления равен -10000/1000, или -10. Знак минус говорит о том, что положительный сигнал на входе дает на выходе отрицательный сигнал (амплитуда которого в 10 раз больше, чем на входе). Такая схема называется усилителем с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.

Входное и выходное сопротивление для усилителя с общим эмиттером. Нетрудно определить входное и выходное сопротивление усилителя. Для входного сигнала схема представляет собой параллельное соединение резисторов 110кОм, 10кОм и входного сопротивления со стороны базы. Последнее приблизительно равно 100 кОм (сопротивление Rэ, увеличенное в h21э раз), а значит, входное сопротивление равно приблизительно 8 кОм (преобладающую роль играет сопротивление 10 кОм). Если используется развязывающий конденсатор, указанный на схеме, то получаем фильтр высоких частот с точкой - 3 дБ на частоте 200 Гц. Для сигналов в рабочей полосе частот (выше частоты, соответствующей точке - 3 дБ) конденсатором емкостью 0,1 мкФ можно пренебречь и учитывать только сопротивление 8 кОм, соединенное с ним последовательно.

Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение сопротивления 10 кОм и выходного сопротивления транзистора со стороны коллектора. Что же получается? Если бы не коллекторный резистор, то схема не отличалась бы от источника тока. Коллектор обладает очень большим сопротивлением (порядка мегаом), поэтому выходное сопротивление определяется коллекторным резистором, сопротивление которого составляет 10 кОм. Напомним, что сопротивление со стороны коллектора велико, а со стороны эмиттера мало (как и в схеме эмиттерного повторителя). В выходном сопротивлении усилителя с общим эмиттером преобладает сопротивление резистора нагрузки, стоящего в цепи коллектора, а выходное сопротивление эмиттерного повторителя определяется выходным сопротивлением транзистора со стороны эмиттера, а не сопротивлением нагрузки, стоящей в цепи эмиттера.


Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем


Сравнение схем включения транзисторов | Основы электроакустики

Сравнение схем включения транзисторов

 

Схемы включения биполярных транзисторов.
 
 Сравнительные данные свойств транзисторов в схемах с ОБ, ОК и ОЭ приведены в табл. 132. В схеме с общей базой эмиттерный переход включен в прямом направлении, поэтому при незначительных изме­нениях напряжения ДUэ сильно меняется ток ДIэ, вследствие чего входное сопротивление транзистора rвх = ДUэ/ДIэ при UK=const мало (десятки омов). Коллекторный переход включен в обратном направлении, поэтому изменения напряжения на этом переходе ДUк незначительно влияют на изменения тока ДIк, вследствие чего вы­ходное сопротивление гвых = ДUк/ДIк при Iэ=const велико (до не­скольких мегаомов). Большое различие входных и выходных сопро­тивлений затрудняет согласование каскадов в многокаскадных уси­лителях. 

Таблица 132

Параметры

Сравнительные показатели свойств транзисторов в схемах

с общей базой

с общим эмитте­ром

с общим коллек­тором

Коэффициенты передачи по току

0,6 — 0,95

 

Десятки — сотни

Больше, чем в схеме с ОЭ

усиления по напря

жению

Тысячи

Меньше, чем в схеме с ОБ

0,7 — 0,99

усиления по мощности

Менее чем на  схеме с ОЭ

Большое (тысячи)

Меньше, чем в схеме с ОЭ

Сопротивление:

 

 

 

входное

 

 

Малое (единицы — десятки омов)

Большое (десятки —тысячи омов)

Большое (сотни килоомов)

 

выходное

 

Большое (тысячи омов - единицы мегаомов)

Сотни омов, —

десятки килоомов

Единицы омов — десятки килоомов

Сдвиг фаз

180°

В схеме с ОБ входным (управляющим) является ток Iэ, а выходным — ток Iк. Последний всегда меньше тока эмиттера, так как часть инжектируемых носителей заряда рекомбинирует в базе, по­этому а=ДIк/ДIэ<1. Коэффициент усиления по напряжению Kн в схеме велик, поскольку изменения токов на входе ДIэ и выходе ДIк почти одинаковы, а rВЫх>rвх. Коэффициент усиления по мощности также велик (Kм=аKн=1000). Эмиттерный переход включается в проводящем направлении, поэтому изменения тока 13, а следователь­но, и тока Iк происходят без фазового сдвига (Ф=0°).

В схеме с общим эмиттером управляющим служит ток базы Is — Is — Iк. Поскольку большинство носителей зарядов, инжектиру­емых эмиттером, достигает коллекторной области [Iк= (0,9 ч-0,99) Iэ] и лишь незначительная часть рекомбинирует в базе, ток базы мал: Iб=(0,01-0,1) Iэ. При этих условиях Kтэ = ДIк/ДIб>Kтб=ДIк/ДIэ и составляет 10 — 150. Усиление по напряжению примерно такое же, как и в схеме с ОБ. Благодаря высокому коэффициенту передачи тока эта схема обеспечивает большое (Kм до 10000) уси­ление по мощности.

Напряжение в схеме с ОЭ на входе U3 и выходе UK одного по­рядка, поэтому гВх=ДUэ/ДIэ здесь больше, чем в схеме с ОБ, и до­стигает десятков — тысяч омов. В этой схеме напряжение коллектор­ного источника Ек частично приложено к эмиттерному переходу, по­этому изменения ДUк вызывают большие изменения тока ДIк, вслед­ствие чего rвых=ДUк/ДIк при Iб=const меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает согласование каскадов в многокаскадных усилителях.

В схеме с ОЭ положительные полуволны подводимого напряже­ния сигнала действуют в противофазе с напряжением смещения, по­этому ток Iэ, а следовательно, и Iк уменьшаются; отрицательные полуволны сигнала действуют согласованно с напряжением смеще­ния, и токи 1д и Iк возрастают. В результате напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в выходной цепи, будет (по отношению к об­щей точке схемы) противофазным с напряжением подводимого сиг­нала (т. е. ф=180°).

В схеме с общим коллектором входным является ток Iб, а вы­ходным Iэ. Так как во входной цепи проходит малый ток базы, входное сопротивление rВX=ДUвх/ДIвх достигает десятков килоомов, Выходное напряжение в схеме приложено к эмиттерному переходу, поэтому малые изменения этого напряжения вызывают большие изменения Iэ, вследствие чего rВых=ДUвых/ДIвых мало (десятки омов).

Напряжение подводимого сигнала Uвх и выходное напряжение Uвых в схеме действуют встречно, т. е. U36 = Uвx — Uвых. Для полу­чения на эмиттерном переходе требуемого напряжения необходимо скомпенсировать выходное напряжение, что достигается при Uвх>Uвых. В этих условиях схема с ОК не дает усиления по напря­жению (Kн<1). Коэффициент передачи по току Kт=ДIэ/ДIб =ДIэ/(ДIэ — ДIк) = 1/(1 — а) здесь несколько больше, чем в схеме с ОЭ. Отсутствие усиления по напряжению приводит к снижению усиления по мощности против схем с ОБ и ОЭ.

В схеме отрицательные полуволны подводимого напряжения сигнала Uвх действуют встречно напряжению смещения, поэтому результирующее прямое напряжение на эмиттерном переходе и ток Iэ=Iб+Iк уменьшаются. При этом напряжение сигнала, снимаемое с нагрузки в цепи эмиттера, повторяет фазу напряжения подводи­мого сигнала, т. е. Ф=0 (эмиттерный повторитель). 

Схема с ОИ является инвертирующим усилителем, способным усиливать сигналы по напряжению и току и обладает сравнительно небольшими междуэлектродными емкостями, (Сзи=1-20 пФ; Сзс=0,5-8 пФ; Сси<Сзи). Входная емкость СВх.и = Сзи+СэС, проход­ная Спр.и = Сзс, выходная СВых.и=Сзс+ССи. Крутизна S характе­ристики Iс=Ф(Uз) представляет собой внешнюю проводимость пря­мой передачи и для транзисторов малой мощности составляет 0,5 — 10 мСм. Выходное сопротивление сравнительно велико (обычно многократно превышает сопротивление нагрузки), поэтому коэф­фициент усиления каскада &»5Rн достигает десятков единиц. Вход­ное сопротивление (если пренебречь областями очень низких и вы­соких частот) .носит емкостной характер; входная емкость Свх= — Сэя+SRнСзс. Поскольку междуэлектродные емкости малы, на па­раметры схемы существенно влияют емкости монтажа См= 1-5-3 пФ. Общая шунтирующая емкость С0=СЕ1+См определяет частоту верхнего среза fв.ср=1/(2пС0Rн).

Схема с ОЗ подобно схеме с ОБ не изменяет полярности сиг­нала и обеспечивает его-усиление по напряжению аналогично уси­лению сигнала в схеме с ОИ. Входное сопротивление гвх= U3m/Iит вследствие потребления от источника сигнала сравнительно боль­шого тока Iст=Iит=SUзот оказывается незначительным.

Выходное сопротивление rвых~rси(1+SRи) из-за влияния отрицательной об­ратной связи по току (элементом которой является внутреннее со­противление источника сигнала RИ) велико. Влияние емкостной составляющей входной проводимости мало (так как она шунтиро­вана сравнительно большой активной проводимостью gВх=1/rвх=S), поэтому каскад с ОЗ более широкополосен, чем схема с ОИ.

Схема с ОС не меняет фазу входного сигнала на выходе (истоковый повторитель), значительно усиливает ток (но не может усиливать напряжение), обладает высоким активным входным со­противлением, малой входной емкостью СВх = Сзс+С3и(1 — K), где K. = Ucm/UC3m=SRн/(1+SRн), и небольшим выходным сопротивле­нием r=l/S (близким к входному сопротивлению схемы с, ОЗ), большой широкополосностью благодаря малой входной емкости.

Схемы составных транзисторов. Составной транзистор пред­ставляет собой комбинацию двух (и более) транзисторов, соеди­ненных таким образом, что число внешних выводов этой комбинированной схемы равно числу выводов одиночного транзистора.

Составной транзистор, выполненный по схеме сдвоенного эмиттер-ного повторителяне изменяет полярности сигнала, об­ладает большим коэффициентом передачи тока hzi=hziVihziVz, име­ет большое входное и малое выходное сопротивления.

Составной транзистор в виде усилителя на разноструктурных (р-n-р и n-р-n) транзисторах содержит два каскада с ОЭ с глубокой последовательной ООС по напряжению. Поскольку каждый каскад изменяет полярность сигнала, в целом схема пред­ставляет собой неинвертирующий усилитель. С выхода схемы напряжение подается на вход (эмиттер первого транзистора) в про-тивофазе с входным сигналом, подводимым к цепи базы. Приве­денный составной транзистор обладает свойствами эмиттерного повторителя. Его коэффициент усиления меньше единицы, а из-за ОС входное сопротивление велико, выходное мало. Точкой малого выходного сопротивления является коллектор транзистора V2, так как от него начинается цепь ОС по напряжению, поэтому вывод коллектора транзистора V2 играет роль эмиттера составного тран­зистора, а вывод эмиттера V2 — роль его коллектора. При выбранных структурах транзисторов, VI и V2 схема обладает свой­ствами р-n-р-транзистора.

Составной транзистор, выполненный по каскодной схеме представляет собой усилитель, в котором транзистор VI включен по схеме с ОЭ, a V2 — по схеме с ОБ. Схема эквивалент­на одиночному транзистору, включенному по схеме с ОЭ с пара* метрами, близкими к параметрам транзистора VI. Последний обла­дает высоким выходным сопротивлением, что обеспечивает транзи« стору V2 получение широкой полосы частот

:::Лабораторная работе 2:::

электронные усилители

 

Методическое указания

к лабораторной работе № 2

по курсу “Электротехника и электроника”

Введение

Знание принципов использования электронных приборов для усиления, генерирования, преобразования электрических сигналов и владение методами анализа и расчета электронных цепей приобре­тает особую актуальность с развитием микроэлектроники.

Данное методическое пособие создано на базе курса "Электро­техника и электроника", читаемого авторами на кафедре "Электро­техника, электроника и электрооборудование" для студентов фа­культетов Э, СМ, РК, МТ МГГУ им. Н.Э.Баумана.

В пособии основное внимание уделено изучению характеристик и параметров усилительных каскадов на транзисторах и операцион­ных усилителях. Практические знания, приобретенные студентами в процессе выполнения данной работы, будут способствовать лучшему усвоению теоретического материала, излагаемого в курсе "Электротехника и электроника".

Цель работы - изучить свойства транзисторного усилительно­го каскада на дискретных элементах, исследовать влияние обрат­ных связей на показатели усилителя, ознакомиться со свойствами усилителей, построенных на базе операционных усилителей.

Теоретическая часть

Электронным усилителем называют устройство, позволяющее повысить мощность входного электрического сигнала за счет энер­гии источника питания усилителя с помощью усилительных элемен­тов (транзисторов, операционных усилителей и т. п.) при заданном уровне искажений.

Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с помощью электрических сигналов! Высокая чувствительность, быстродействие, компакт­ность, экономичность электронных усилителей обусловили их широ­кое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п.

В зависимости от назначения усилители подразделяются так:

усилители постоянного тока (ЖЕ),

усилители низкой частоты (УНЧ),

усилители высокой частоты (УВЧ),

избирательные усилители,

широкополосные (видеоусилители),

импульсные,

операционные и т.д.

Операционные усилители относятся к классу многофункцио­нальных, или универсальных, так как с их помощью можно реализо­вать практически любой вид усиления электрического сигнала.

В настоящее время основным элементом электронного усили­тельного устройства является транзистор.

Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора (транзистор - дословно "преобразователь сопротивления"). Это свойство транзистора мо­жет быть использовано для различных преобразований электри­ческих сигналов (усиление, генерирование, преобразователей фор­мы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п. Существует большое разнообразие транзисторов, отличающихся принципом действия, назначением, мощностью, частотными свойст­вами и другими признаками.

В данной работе используется биполярный транзистор типа n-р-п,  и имеющий два р- п- перехода. На рис. 1а показано условное графическое и буквенное обозначение таких транзисторов на электрических схемах. На рис. 1б изображена схема подключе­ния внешних элементов, генератора усиливаемого входного напря­жения UВХ и  источника питания +Un к выводам транзистора.

Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзи­сторов, так как в ней наилучшим образом используются усилитель­ные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые использу­ются реже.

 

Рис. 1

Цепь "коллектор-эмиттер" транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Р, а цепь "база-эмиттер" называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал.

По 2-му  закону Кирхгофа для транзистора (см. рис. 16) мож­но записать

,

т.е. ток коллектора Iк меньше тока эмиттера IЭ на величину тока базы IБ. Токи коллектора и эмиттера связаны между собой коэффициентом передачи тока

.

Величина  всегда меньше единицы, однако, близка к ней. Для современных транзисторов  = 0,900...0,999.

В схеме включения транзистора с ОЭ входной величиной явяется ток базы, а выходной - ток коллектора. Испоьзуя соотноше­ния (1) и (2), получаем

.

Коэффициент  называют статическим коэффициентом усиле­ния тока в схеме с ОЭ и значение его составляет приблизительно 10..1000 для различных типов транзисторов

  Рис. 2 Рис. 3         

Основными статическими вольтамперными характеристиками (BАХ) транзис- тора в схеме с ОЭ являются:

                  а) входные характеристики (рис. 2)

                            при 

б) выходные или коллекторные характеристики (рис. 3)

                            при

Входные характеристики при UKЭ>0 постепенно сгущаются, практически перестают зависеть от этой величины, поэтому в справочниках приводятся две кривые - для UKЭ = 0 В  и UКЭ=3 В, либо UKЭ = 5 В.

Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга при одинаковых приращениях тока базы, начиная с IБ=0. Однако в дальнейшем они начинают сгущаться по мере приближения к току базы насыщения IБнас. При Iв= IБнас транзистор насыщается, т.е. полностью открывается, и он перестает быть управляемым током базы, т.е. переходит в ключевой режим работы.

Рабочей областью выходных характеристик в режиме усиления является область, ограниченная предельно допустимыми значениями и областями насыще-ния и отсечки (см. линии со штриховкой на рис.3).В этой области характеристики можно считать практически линейными, а транзистор - линейным элементом.

На входные и выходные характеристики транзистора (см. рис.2 и 3) сущест- венно влияет температура нагрева транзистора. С ростом температуры они эквива-лентно поднимаются вверх (см. рис.3).

В справочниках [I] приводятся электрические параметры (оптимальные или номинальные для каждого типа транзистора), а также предельные эксплуатационные данные. К первым, в качестве основных относятся: статический коэффициент передачи тока  (или ) в схеме с ОЭ; граничное напряжение UKЭ; обратный ток коллектора IК0; граничная частота fгр коэффициента , т.е. та частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент   (или ) уменьшается в  раза и др.

Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ (рис. 4). Каскад предназначен для усиления только переменных сигналов. К входной цепи усилительного каскада относятся все элементы, подсоединяе­мые между базой и эмиттером транзистора, а также источник вход­ного сигнала UBХ.

                                                   Рис. 4

Выходная цепь каскада включает источник питания Un, управляемый элемент-транзистор VT и резистор R. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекающего коллекторного тока iK , управляемого током ба­зы ig , создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы Uвых. Остальные элементы играют вспомогательную роль.

Конденсаторы CI и С2 являются разделительными: CI исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исклю­чить протекание постоянного тока через источник входного сигна­ла по цепи + Un— Rl- внутреннее сопротивление источника  ив (на рис.4 не показано) и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе U~Bn в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала и=0, от внутреннего сопротивления источ­ника входного сигнала. Назначение конденсатора С2 - пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения.

Резисторы Rl и R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ввиду малости входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллек-торной цепи Г (см. рис3) задается соответствующей величиной тока базы покоя rgn (см. рис.2), протекающего о сточника питания Un через резистор R1. Совместно с R2 резистор R1 образует делитель напряжения пита­ния   , часть которого, выделяемая на резисторе R2 , равна значению Uбп  (см. рис.2). Выбор значения и определяется требованием минимальных искажений формы входного сигнала, вно­симых транзистором в режиме усиления. Это требование выполняет­ся, если точка покоя П (см. рис.2 и 3) находится в середине линейного участка входных и выходных характеристик транзистора. Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих факторов, ток I делителя R1-R2 должен быть в 2...5 раз больше необходимого тока покоя базы   IБП.

Резистор RЭ является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменениях температуры. Конденсатор СЭ шунтирует рези­стор Р по переменному току, исключая тем самым проявление от­рицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим.

Отсутствие СЭ приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада [2] .

Рассмотрим работу каскада в режиме усиления, когда на вход каскада подается изменяющееся входное напряжение, например, по синусоидальному закону: 

При этом начинают изменяться напряжение Uбэ и ток iб в некоторых пределах, определяемых амплитудой Uвхm и видом входной характеристики транзистора. Причем эти изменения будут происходить относитель­но точки покоя П (см. рис.2, 3). В соответствии с выходными характеристиками транзистора будет изменяться и ток коллекто­ра г, мгновенные значения которого определяются напряжениями. Для дальнейшего анализа режима работы каскада необходимо использовать графоанали- тический метод расче­та нелинейных электрических цепей, так как транзистор в общем случае является нелинейным элементом.

Составляем уравнение по 2-му закону Кирхгофа для режима покоя, т.е. для постоянных составляющих токов и напряжений:

       (4)

Величина незначительна, поэтому ею для упрощения анализа можно пренебречь, и тогда получаем уравнение

       (5)

Выражение (5) является уравнением прямой линии в координатах Iк и Uкэ, т.е. на выходных характеристиках транзистора. Линия, построенная по этому уравнению в координатах IK и Uкэ, на­зывается линией нагрузки каскада по постоянному току (см. пря­мую линию на рис.3). Точка пересечения этой линии с характе­ристикой, соответствующей I6п, т.е. точка П, определяет ре­жим работы каcкада по постоянному току.

В режиме усиления, когда Uвх=Uвхsinωt, рабочая точка перемещается вдоль линии нагрузки относительно точки П, определяя тем самым переменные составляющие тока коллекто­ра iк и напряжения UКЭ. Вследствие наличия разделительного конденсатора С2 на выходных зажимах каскада выделяется только переменная составляющая напряжения UКЭ, которая и является выходным напряжением каскада. Графический анализ показывает, что выходное напряжение Uвых и входное Uвх  находятся в противофазе, т.е. одиночный усилительный каскад на транзисторе, включенный по схеме с ОЭ, сдвигает фазу выходного напряжения по отношению к входному на 180°. Это одно из основ­ных свойств такого каскада.

Основным показателем любого усилителя является его коэффи­циент усиления - это величина, равная отношению выходного сиг­нала к входному. В зависимости от назначения усилителя различа­ют коэффициенты усиления по напряжению

Ввиду наличия в схеме каскада элементов, параметры которых зависят от частоты, в общем случае коэффициент усиления являет­ся комплексной величиной К=Ке , где К - модуль коэффи­циента усиления, а у - аргумент, показывающий угол сдвига по фазе между выходным и входным сигналами.

Основными характеристиками усилительного каскада являются амплитудная и амплитудно-частотная (АЧХ). Амплитудная характеристика определяет зависимость амплитуды или действующего значения при синусоидальном входном сигнале выходного напряжения от амплитуды или действующего значения входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала. Примерный вид этой характеристики показан на рис.5. Линейная зависимость между Uвых и Uвх (участок 1-2) сохраняется до тех пор, пока смещение рабочей точки на входной характеристике транзистора относитель­но точка покоя П осуществляется по ее линейному участку (в окрестности точки П на рис. 2). При Uвх>Uвх2  линейность амплитудной характе- ристики нарушается из-за нелинейности вольтамперных характеристик транзи­стора.

    Рис. 5     

             Это приводит к появлению искажений формы выходного сиг­нала относительно формы входно­го, т.е. так называемых, нели­нейных искажений. Нелинейные искажения могут возникнуть при любой форме входного сигнала. Они зависят от амплитуды вход­ного сигнала, положения точки покоя на входных и выходных характеристиках транзистора, а также от вида этих характеристик.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя пред­ставляет собой зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты усиливаемого сигнала при постоянстве значения входного сигнала. Общий вид ее для усилителя с разделительными конденсаторами, т.е. с конденсаторной связью, показан на рис. 6.

  Рис. 6

                                                

Нелинейность AЧX обусловлена наличием в схеме усилителя элемен­тов (в частности, конденсаторов и транзистора), параметры кото­рых зависят от частоты. АЧХ позволяет судить о частотных иска­жениях, называемых линейными. Такие искажения возникают, если входной сигнал имеет сложную форму и его можно представать как сумму гармонических составляющих с различными частотами и амплитудами, которые усиливаются неодинаково, т.е. с различны­ми коэффициентами усиления. Анализируя рис.6, мы видим, что имеется диапазон средних частот с постоянным коэффициентом КV0.

Для усилителей низкой частоты, к которым относится исследуемый нами усилительный каскад, диапазон средних частот находится ориентировочно в пределах 500...1000 Гц. В диапазонах низких и высоких частот коэффициент усиления уменьшается (происходят уменьшения коэффициента усиления в области низких и высоких частот, т.е. так называемые "завалы" АЧХ).

Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение коэффициента усиления, называ­ют полосой пропускания, которая определяет нижнюю fH и верхнюю fa граничные частоты усиления при заданном уровне частот­ных (линейных) искажений. Как правило, значение коэффициента усиления на граничных частотах полосы пропускания составляет KVo /√2. "Завал" АЧХ в диапазоне низких частот (НЧ) обуслов­лен влиянием разделительных конденсаторов CI, C2 и конденсато­ра Сэ. Обычно емкости этих конденсаторов выбираются так, чтобы их сопротивление хС=1/ωС в диапазоне частот полосы пропускания было пренебрежимо мало и падением напряжения на них можно было пренебречь. С уменьшением частоты усиливаемого сигнала реактивные сопротивления хс возрастают, что приводит к увели­чению падения напряжения на них, и, как следствие, потери части входного сигнала на разделительных конденсаторах C1 и С2. Шунтирующее действие конденсатора Сэ при этом также ослабляется, что приводит к возрастанию влияния отрицательной обратной свя­зи по переменному току и снижению коэффициента усиления кас­када.

"Завал" АЧХ на высоких частотах обусловлен зависимостью коэффициента усиления транзистора (5 от частоты, наличием межэлектродных емкостей транзистора (особенно емкостью между базой и коллектором), влияние которых заключается в шунтирова­нии соответствующих р- п- переходов тем большем, чем выше ча­стота усиливаемого сигнала.

На практике ни один усилитель не используется без обрат­ной связи (ОС). Обратной связью называют передачу мощности электрического сигнала из выходной цепи во входную.

На рис. 7 показана структурная схема усилителя с ОС, где электрический сигнал с выхода усилителя с коэффициентом усиле­ния К через звено ОС с коэффициентом передачи γ поступает обратно на вход усилителя. В состав звена ОС могут вхо­дить линейные, нелинейные, ча­стотно-зависимые и другие эле­менты или даже целые устройст­ва.

    Рис. 7

                                        

Существует целый ряд ква­лификационных признаков ОС.

Если электрический сигнал после звена ОС пропорционален выходному напряжению, то в усилителе используется обратная связь по напряжению; если сигнал на выходе звена ОС пропорционален току в выходной цепи, то ис­пользуется ОС по току. Возможна и комбинированная ОС.

Воздействие ОС может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала непосредственно на входе усилителя. В первом случае ОС называют положительной, во вто­ром - отрицательной (сигналы на входе усилителя либо складыва­ются, либо вычитаются).

По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение с выхода звена ОС включается после­довательно с напряжением источника входного сигнала (рис.8а), а во втором - параллельно (рис.86).

Рис. 8

                                         

В усилителях в основном используется отрицательная обрат­ная связь (ООС), введение которой позволяет улучшить почти вое характеристики усилителей. На рис. 8а показан усилитель, охва­ченный последовательной отрицательной обратной связью по на­пряжению. Оценим свойства такого усилителя.

Уравнение по 2-му закону Кирхгофа для входной цепи усилителя имеет вид

Разделим обе части (6) на

 

Введём обозначения:

       - коэффициент усиления усилителя без ОС.

        - коэффициент передачи звена ОС.

   - коэффициент усиления усилителя с ОС.

После преобразований получаем

Выражение (7) показывает, что введение ООС приводит к уменьшению результирующего коэффициента усиления. Практи­чески это единственное негативное свойство ООС. Однако если γК>>1, а этого достичь очень просто, то КOC =1 /γ, т.е. результирующий коэффициент усиления КOC  не зависит от К, а следовательно, и от всех факторов, влияющих на его величину, т.е. существенно повышается стабильность КOC. Кроме того, ООС расширяет полосу пропускания (рис.9) и линейный участок ампли­тудной характеристики (рис.10), что приводит к уменьшению ис­кажений как линейных, так и нелинейных.

 

Рис. 9      Рис. 10

                                                                     

В исследуемом усилительном каскаде (см. рис.4) применена ООС по току эмиттера, а резистор £ является элементом цепи обратной связи, которая необходима для стабилизации положения точки покоя при возможных изменениях температуры транзистора, т.е. используется эмиттерная температурная стабилизация. Она осуществляется ввдением в схему последовательной ООС по постоянному току эмиттера IЭП.

В режиме покоя, когда UВХ=0 , с учетом IД>>IБП для постоянных составляющих токов и напряжений по 2-му закону Кирх­гофа можно записать

С изменением температуры изменится ток покоя транзистора IКП, а, следовательно, и ток покоя эмиттера IЭП (например, возра­стут при увеличении температуры). Смещение точки покоя на вы­ходных характеристиках вверх вдоль линии нагрузки может приве­сти к увеличению IБП и UБЭП, на входных характеристиках (см. рис.2). Так как  IД>>IБП, можно полагать IДR2= const.

Из (8) очевидно уменьшение UБЭП, а, следовательно, уменьшение IБП, что приводит к снижению  IКП и к неизменности ре­жима покоя.

Для исключения влияния ООС по переменному току на коэффи­циент усиления параллельно   Rэ включен конденсатор СЭ, ем­кость которого должна быть достаточно большой, чтобы реактив­ное сопротивление в полосе пропускания  Х << RЭ /10.

Если же СЭ отсутствует, то переменная составляющая тока эмит­тера Iэ      создает на резисторе R падение напряжения 

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с входным дифференциальным каскадом, с очень высоким и стабильным коэф­фициентом усиления (от 1000 до 10000), широкой полосой пропус­кания (от 0 до 10...100 МГц), высоким входным сопротивлением ( RВых>10 кОм) и малым выходным сопротивлением ( Rвых<100 Ом).

Применение ОУ позволяет за счет использования перечисленных свойств и различных звеньев обратной связи выполнять узлы и устройства электронной аппаратуры самого разнообразного назна­чения (различные типы усилителей - УПТ, УШ, УВЧ и др., гене­раторы электрических сигналов различной формы, стабилизаторы напряжений, активные фильтры и много других электронных уст­ройств). СУ в настоящее время выпускаются только в микро­электронном (интегральном) исполнении и считаются базовым эле­ментом современной микроэлектроники. ОУ обладают высокой на­дежностью и механической прочностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением.

   Рис. 11    Рис. 12

                                                       

В настоящей лабораторной работе используется простейший ОУ типа 1Ш0УД1Л. На рис. II показаны условные обозначения ОУ, графическое и буквенное, а на рис.12 - типовая схема его включения для реализации инвертирующего усилителя. Каждый внешний вывод ОУ имеет вполне определенное функциональное назначение. Один из входов ОУ называют инвертирующим (цифра 9 на рис.II), а второй - неинвертирующим (цифра 10). При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала тлеет обратный знак, противоположный по фазе входному. При по­даче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают, т.е. сдвиг по фазе равен нулю. Усилитель­ные устройства на базе ОУ без отрицательной обратной связи не используются, в противном случае они, как правило, самовозбуждаются, т.е. превращаются в автогенератор произвольной частоты и формы. Поэтому инвертирующий вход ОУ предназначен для введения ООС.

Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилительный каскад постоянного тока, выходным каскадом - эмиттерный повторитель тока [3]. Применение двух разнополярных источни­ков электропитания с общей точкой - Un для ОУ позволяет полу­чать напряжение U обеих полярностей относительно нулевой точки, а также обеспечить Uвых=0 при Uвх=0. Выполнение последнего условия называют балансировкой ОУ, и осуществляется оно с помощью дополнительных навесных, т.е. внешних элементов, подсоединяемых к соответствующим внешним выводам ОУ (как пра­вило, это переменный резистор).

Основные показатели ОУ - это коэффициент усиления по напряжению Кц, полоса пропускания f, входное сопротивле­ние R, выходное сопротивление Uвых. Идеальным ОУ назы­вают такой усилитель, у которого вывод некоторых основных показателей ОУ, включенных по схеме инвертирующего усилителя (см. рис.12), выполнен в пред­положении того, что используемый в нашей работе ОУ типа К140УД1А является идеальным. В этом случае получаются очень простые выражения для показателей инвертирующего усилителя, а вносимая погрешность незначительна.

Найдем выражение для коэффициента усиления ОУ, охвачен­ного отрицательной обратной связью по напряжению, т.е. найдем

  (см. рис. 12).

Для идеального ОУ имеем , следовательно, ;, т.е. , и тогда по 1-му закону Кирхгофа . Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа ; , следовательно, входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется выражением . Далее, , ; так как , получаем:

      

Знак "-" физически означает, что инвертирующий усилитель имеет сдвиг фазы выходного напряжения относительно входного, равный 180°, т.е. Uвх и Uвых  находятся в противофазе.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя Rос определяется выражением:

   Рис. 13

                                                

Амплитудно-частотная характеристика реального операцион­ного усилителя при отсутствии разделительных емкостей на входе в выходе представлена на рис. 13. В ней отсутствует снижение коэффициента усиления в области низких частот, что позволяет с помощью 07 усиливать медленно меняющиеся и постоянные сигналы (УНТ). Снижение коэффицинта усиления в области высоких частот обусловлено частотными свойствами входящих в ОУ транзисторов, механизм воздействия которых на вид АЧХ рассматривался выше.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторный стенд содержит однокаскадный усилитель переменного напряжения на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ (рис.14а), а инвертирующий усилитель, собранный на базе 07 (рис. 146).

        Рис. 14

                                       

В схеме усилителя с ОЭ усиливаемый сигнал подается через разделительный конденсатор СТ. Нагрузкой каскада является рези­стор R. Предусмотрена возможность изменять с помощью переклю­чателя S5 величину емкости разделительного конденсатора между цепью коллектора транзистора и нагрузкой R. Введение ООС по переменному току осуществляется с помощью переключателя S4. При отключении конденсатора Сэ, шунтирующего резистор Rэ, в цепи эмиттера транзистора вводится ООС по переменному току. Усилитель на базе ОУ состоит из собственно операционного усилителя DА , входной цепи, содержащей резистор Ri , выходной цепи - цепи нагрузки Rн, цепи ООС, реализуемой с помощью сопро­тивления Roc=Roc1+Roc2. Значение сопротивления  Roc может регулироваться изменением величины переменного резистора Roc2

Для включения лабораторного стенда служит выключатель S1, а для включения каждой из исследуемых схем - переключатель S2, имеющий два положения.

На входы схем усилителей усиливаемый сигнал синусоидальной формы подается с генератора сигналов. Выходные напряжения на резисторах нагрузки RH усилителей измеряют цифровым вольтмет­ром. Наблюдение формы напряжения на нагрузке производится с по­мощью электронного осциллографа. Правила пользования приборами необходимо изучить в лаборатории.

ПРАВИЛА ПО ОХРАНЕ ТРУДА.

1.Работы следует выполнять строго в соответствии с зада­нием.

2.Необходимо знать функциональное назначение всех элемен­тов коммутации (выключателей, кнопок, переключателей и т.п.) и, прежде чем включать стенд, убедиться, что все исследуемые  в работе устройства отключены от источника электропитания.

3.Студент обязан знать и строго соблюдать правила поль­зования применяемыми в работе электронными приборами: генера­тором, осциллографом, вольтметром. В случае необходимости за консультацией обращаться к преподавателю.

4.При выполнении работы запрещается: включать схемы без разрешения преподавателя; использовать измерительные приборы, которые не указаны в методических указаниях к данной работе; пользоваться неисправными приборами, и устройствами.

5.После выполнения работы необходимо выключить электро­питание всех исследованных устройств.

ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением экспериментальной части обязательно со­беседование студентов с преподавателем для усвоения ими после­довательности всех этапов работы и получения разрешения на про­ведение эксперимента.

Исследование усилителя напряжения низкой частоты на транзисторе (ОЭ)

Задание 1. Исследовать влияние величины входного напряже­ния Uвх на величину и форму напряжения на нагрузке усилите­ля Uн при постоянной частоте fг входного сигнала для двух случаев:

а) без обратной связи по переменному току;

б) с отрицательной обратной связью по переменному току.
            Для этого необходимо:

1.Установить переключатель пределов выходного напряжения генератора в положение 100 мВ, ручку "Регулировка выхода"  в крайнее  левое  положение,  частоту f =1000 Гц.

2.Подсоединить генератор синусоидальных сигналов к входу усилителя, а измерительные щупы цифрового вольтметра и элект­ронного осциллографа - к нагрузке усилителя. При этом во избе­жание наводок, искажающих выходной сигнал усилителя, необходи­мо клеммы "Земля" генератора, вольтметра и осциллографа под­ключить к общей точке входа и выхода усилителя

3. Подключить лабораторный стенд и схему усилителя ОЭ.
            4. Установить емкость СЗ =10 мкФ.

5. Изменяя значение входного сигнала от 0 до 100 мВ, про­извести необходимые измерения при двух положениях переключа­теля S4 , соответствующих отсутствию ОС и наличию ООС по пере­менному току. Результаты измерений занести в табл. I и постро­ить графики амплитудных характеристик в единой системе коорди­нат.

Таблица 1

 мВ

 В

 мВ

 В

Без ОС

С ООС

Без ОС

С ООС

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

 

 

 

 

 

 

 

 

6.    Определить и сравнить коэффициенты усилителя по напряжению Ки на линейных участках амплитудных характе­ристик.

7.    Наблюдая форму выходного сигнала UН (1) на экране осциллографа, найти значение входного напряжения UВХ, при котором наступают заметные искажения выходного напряжения при отсутствии ОС и наличии ООС. Нарисовать форму искаженного сиг­нала и отметить на амплитудных характеристиках соответствующие этому значения XI.

Задание 2. Построить амплитудно-частотную характеристику усилителя без обратной связи. Для этого необходимо:

1.    Установить ручкой "Регулировка выхода" напряжение UВХ=100 мВ и в дальнейшем поддерживать его постоянным.

2.    Установить переключатель S4 в положение отсутствия ОС, оставив СЗ=10 мкФ.

3.    Изменяя дискретно частоту сигнала в диапазоне от 0 до 200 кГц и устанавливая ее значения в соответствии с табл. 2, измерить напряжение на нагрузке усилителя RH. Результаты за­нести в табл. 2.

4.    Вычислить значения коэффициента усиления по напряжению и построить амплитудно-частотную характеристику. Значения ча­стот по оси абсцисс откладываются в логарифмическом масштабе по основанию 2, т.е. 210°; 2101; 2102;….Гц, что соответст­вует значениям, указанным в табл. 2.

5. Определить по полученной характеристике полосу пропускания усилителя, отметив на характеристике граничные частоты.

Таблица 2

 

 Гц

Без ОС

 Гц

Без ОС

 В

 В

20

40

80

160

320

640

1280

2560

5120

10240

40960

81920

163840

 

Задание 3. Исследовать влияние на полосу пропускания уси­лителя значения ёмкости разделительных конденсаторов и ООС. Для этого необходимо:

1.Установить конденсатор С2=1 мкФ, переключатель S4 в положение, соответствующее отсутствию ОС по переменному току.

2.Установив UВХ=10 мВ и fг=1000 Гц, найти коэффици­ент усиления усилителя Кu0 на средних частотах (примерно 1000 Гц).  

3.Изменяя частоту генератора синусоидальных сигналов в пределах от 20 до 200 Гц, определить полосу пропускания уси­лителя.

Занести значения Кu0 нижней fн и верхней fв граничных частот в табл. 3.

Таблица 3

Режим

 Гц

 Гц

Без ОС

мкФ

мкФ

С ООС

мкФ

мкФ

4. Аналогично определить полосу пропускания усилителя с ОOC по переменному току при С2 =1 мкФ и СЗ =10 мкФ.

Результаты измерений (fH, fв) и расчетов (Кu0) зане­сти в табл. 3.

Исследование инвертирующего усилителя напряжения низкой частоты на базе ОУ

Задание 4. Исследовать зависимость коэффициента усиления усилителя от параметров цепи обратной связи и частоты входного сигнала.

Для этого необходимо:                                                   

1.Установить переключатель пределов выходного напряжения генератора в положение 10 мВ, ручку "Регулировка выхода" в крайнее левое положение, частоту, равную fг=1000 Гц.

2.Подсоединить измерительные приборы к операционному усилителю аналогично п.2 задания 1.

3.Подключить схему СУ.

4.    Подав напряжение на вход усилителя Uвх=5 мВ, изме­рять значение выходного напряжения UH при двух крайних положе­ниях ручки переменного резистора Roc2 в цепи 00С. По резуль­татам эксперимента вычислить для двух случаев коэффициент уси­ления по напряжению Кu и сравнить с расчетной величиной Кuрас = Roc/R1. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 4.   

Таблица 4

Установлено

Измерено

Вычислено

 мВ

 кОм

 В

Эксперимент.

Расчёт.

5.Наблюдая форму выходного сигнала UН(t) на экране осциллографа, определить значение входного напряжения Uвх, при котором наступают заметные искажения при двух крайних положениях ручки переменного резистора R0C2. Нарисовать форму иска­женного сигнала и указать соответствующие значения Uвх2.

6.Установить напряжение Uвх=5 мВ; изменяя частоту в пределах от 20 Гц до 200 кГц, проследить, как зависит коэффи­циент усиления усилителя от частоты входного сигнала при двух крайних положениях ручки резистора.

Определить полосу пропускания ОУ, записать значения Кu0, fн и fв при двух крайних положениях ручки резистора  Roc2,  в таб­лицу, аналогичную табл. 3.

7. После окончания экспериментов выключить лабораторный стенд.

С0ДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.    Титульный лист с названием работы, указанием индекса группы, фамилии студента и даты исполнения.

2.    Краткое описание принципа работы и назначения исследуе­мого устройства.

3.    Электрические схемы исследуемых устройств, вычерченных с помощью чертежных инструментов с соблюдением условных графи­ческих обозначений элементов по ГОСТ.

4.    Графики и осциллограммы, выполненные на миллиметровой бумаге.

5.    Таблицы, графики, осциллограммы и выводы в соответст­вии с заданием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.    Что называется электронным усилителем? Объяснить прин­цип действия усилителя.

2.    Перечислить основные параметры и характеристики усили­теля.

3.    Объяснить назначение элементов, входящих в схему уси­лительного каскада на транзисторе.

4.Объяснить характер экспериментальных зависимостей и осциллограмм, полученных в работе.

5.Что такое обратная связь? Как она влияет на параметры и характеристики усилителя?

6.Как осуществляется температурная стабилизация в усили­теле?

7.Что такое полоса пропускания усилителя? Как ее опреде­лить?

8.Что называется операционным усилителем? Каково его условное обозначение?

9.Что представляет собой операционный усилитель в интег­ральном исполнении?

10.Назовите возможные области применения электронных усилителей.

11.Назовите назначение используемых в работе электронных приборов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник. /Под ред. Н.Н.Горюнова. М.; Высш. шк., 1986.

2.Основы промышленной электроники. /Под ред. В.Г.Герасимова. М.: Высш. шк., 1986.

3.Справочное пособие по основам электротехники и электро­ники. /Под ред. А.В.Нетушила. М.: Энергоатомиздат, 1995.

4.Электротехника и основы электроники. /Под ред. О.П.Глудкина, Б.П.Соколова. М.: Высш. шк., 1993.

Усилительный каскад с общим коллектором

Добавлено 5 октября 2017 в 18:40

Сохранить или поделиться

Наш следующий в изучении тип включения транзистора немного проще для вычисления коэффициентов усиления. Так называемая схема с общим коллектором показана на рисунке ниже.

В схеме с общим коллектором и вход, и выход используют коллектор (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Конфигурация этого каскада называется схемой с общим коллектором, потому что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку (рисунок ниже).

Общий коллектор: входной сигнал подается на базу и коллектор, выходной сигнал берется со схемы эмиттер-коллектор

Должно быть очевидно, что через резистор нагрузки, помещенный в цепь эмиттера, в схеме усилителя с общим коллектором протекают как ток базы, так и ток коллектора. Поскольку через вывод эмиттера транзистора протекает самое большое значение тока (сумма токов базы и коллектора, которые всегда объединяются вместе для формирования тока эмиттера), было бы разумным предположить, что этот усилитель буде иметь очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно правильное: коэффициент усиления по току усилителя с общим коллектором довольно большой, больше, чем в любом другом типе схемы транзисторного усилителя. Однако это не совсем то, что его отличает от других типов схем транзисторных усилителей.

Давайте сразу же перейдем к SPICE анализу этой схемы усилителя, и вы сможете сразу увидеть, что уникального в этом типе включения транзистора. Схема и список соединений приведены ниже.

Схема усилительного каскада с общим коллектором для SPICE
common-collector amplifier 
vin 1 0 
q1 2 1 3 mod1   
v1 2 0 dc 15    
rload 3 0 5k    
.model mod1 npn 
.dc vin 0 5 0.2 
.plot dc v(3,0) 
.end
Общий коллектор: напряжение на выходе меньше напряжения на входе на 0,7 В (на падение напряжения VБЭ)

В отличие от усилительного каскада с общим эмиттером из предыдущего раздела, схема с общим коллектором создает выходное напряжение в прямой, а не в обратной пропорции к возрастающему входному напряжению. Смотрите рисунок выше. По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, тщательный анализ показывает, что выходное напряжение почти идентично входному, отставая от него примерно на 0,7 вольта.

Это уникальная особенность усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение, которое почти равно входному напряжению. При рассмотрении с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного изменения величины входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный почти единице (1), или 0 дБ. Это справедливо для транзисторов с любым значением β и для любых сопротивлений нагрузки.

Понять, почему выходное напряжение в схеме с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению, очень просто. Обратившись к модели транзистора на базе диода и источника тока (рисунок ниже), мы увидим, что ток базы должен протекать через PN-переход база-эмиттер, который эквивалентен обычному выпрямляющему диоду. Если этот переход смещен в прямом направлении (транзистор проводит ток в активном режиме или режиме насыщения), падение напряжения на нем будет равно примерно 0,7 вольта (предполагаем, что транзистор кремниевый). Это падение 0,7 вольта во многом не зависит от реальной величины тока базы; таким образом, мы можем считать его постоянным.

Эмиттерный повторитель: напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе (меньше на величину падения напряжения база-эмиттер, 0,7 вольта) (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Учитывая полярности напряжений на PN-переходе база-эмиттер и на резисторе нагрузки, мы видим, что одни должны складываться вместе, чтобы в соответствии с законом напряжений Кирхгофа равняться входному напряжению. Другими словами, напряжение на нагрузке всегда будет примерно на 0,7 вольта меньше входного напряжения при всех условиях, когда транзистор проводит ток. Отсечка происходит при входном напряжении ниже 0,7 вольта, а насыщение – при входном напряжении выше напряжения батареи (источника питания) плюс 0,7 вольта.

Поэтому схема усилителя с общим коллектором также известна как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель, поскольку напряжения на эмиттерной нагрузке почти повторяют напряжения на входе.

Применение схемы с общим коллектором для усиления сигналов переменного напряжения также требует использования «смещения» входного сигнала: постоянное напряжение должно быть добавлено к входному сигналу переменного напряжения, чтобы удерживать транзистор в активном режим в течение всего периода синусоиды входного сигнала. Когда смещение будет добавлено, в результате получится неинвертирующий усилитель, показанный на рисунке ниже.

Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)
common-collector amplifier
vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0)
vbias 4 0 dc 2.3
q1 2 1 3 mod1
v1 2 0 dc 15
rload 3 0 5k
.model mod1 npn
.tran .02m .78m
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end

Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал повторяет входной. Амплитуда выходного сигнала такая же, как и у входного. Тем не менее, уровень постоянной составляющей смещается вниз на падение напряжения VБЭ.

Схема каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель): выход V(3) повторяет вход V(1), но ниже на VБЭ = 0,7 вольта

Вот еще один вид схемы (рисунок ниже) с осциллографами, подключенным к нескольким интересным точкам.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен 1

Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает никакого усиления по напряжению (на самом деле, коэффициент усиления по напряжению у нее чуть меньше 1), ее единственным усиливающим фактором является ток. Коэффициент усиления по току схемы усилителя с общим эмиттером, рассмотренной в предыдущем разделе, равен β транзистора, поскольку входной ток проходит через базу, а выходной ток (ток нагрузки) – через коллектор, а β – это и есть отношение тока коллектора к току базы. Однако в схеме с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с эмиттером, и, следовательно, ток через неё равен току эмиттера. В схеме протекает два тока: ток от эмиттера к коллектору и ток базы. Через нагрузку в этом типе схемы усилителя протекают оба этих тока: ток коллектора плюс ток базы. Это дает коэффициент усиления по току, равный β плюс 1.

\[A_I = { I_{эмиттер} \over I_{база} }\]

\[A_I = { I_{коллектор} + I_{база} \over I_{база} }\]

\[A_I = { I_{коллектор} \over I_{база} } + 1\]

\[A_I =\beta + 1\]

Опять же, PNP транзисторы так же можно использовать в схеме с общим коллектором, как и NPN транзисторы. Расчеты усиления одинаковы, равно как и неинвертирование усиленного сигнала. Единственное различие заключается в полярностях напряжений и направлениях токов (рисунок ниже).

PNP версия усилительного каскада с общим коллектором

Популярное применение усилителя с общим коллектором – стабилизированные источники питания постоянного напряжения, где нестабилизированное (изменяющееся) постоянное напряжение источника фиксируется на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, стабилитроны уже выполняют эту функцию по стабилизации напряжения (рисунок ниже).

Стабилизатор напряжения на стабилитроне

Однако при использовании этой схемы стабилизатора непосредственно для питания нагрузки величина тока, которая может быть подана на нагрузку, обычно очень сильно ограничена. По сути, эта схема стабилизирует напряжение на нагрузке, поддерживая ток на последовательном резисторе на уровне достаточно высоком, чтобы на нем упало всё избыточное напряжение источника, при этом и стабилитрон, если необходимо, потребляет ток, чтобы напряжение на нем было постоянным. Для сильноточных нагрузок простой стабилизатор напряжения на стабилитроне должен будет пропускать через стабилитрон большой ток, чтобы эффективно стабилизировать напряжение на нагрузке в случае сильных изменений сопротивления нагрузки или напряжения источника.

Одним из популярных способов увеличения допустимой величины тока, подаваемого на нагрузку, в подобных схемах является использование транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, для усиления тока нагрузки так, чтобы цепь стабилитрона работала только с той величиной тока, которая необходима для подачи на базу транзистора (рисунок ниже).

Применение схемы с общим коллектором: стабилизатор напряжения (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Есть только одна оговорка: напряжение на нагрузке будет примерно на 0,7 вольта меньше напряжения стабилитрона из-за падения напряжения на PN переходе транзистора база-эмиттера. Так как эта разница в 0,7 вольта довольно постоянна в широком диапазоне токов нагрузки, в реальной схеме стабилитрон может быть выбран с номинальным напряжением на 0,7 вольта выше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.

Иногда в конкретном приложении со схемой с общим коллектором бывает недостаточно высокого коэффициента усиления по току одиночного транзистора. Если это так, то несколько транзисторов могут быть объединены в популярную схему, известную как пара Дарлингтона, являющуюся просто расширением концепции схемы с общим коллектором (рисунок ниже).

NPN пара Дарлингтона

Пары Дарлингтона, по сути, ставят один транзистор в качестве нагрузки другого транзистора по схеме с общим коллектором, тем самым перемножая их собственные коэффициенты усиления по току. Ток базы верхнего левого транзистора усиливается на эмиттере этого транзистора, который напрямую соединен с базой нижнего правого транзистора, где ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току выглядит следующим образом:

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:

\[A_I = (\beta_1 + 1)(\beta_2 + 1)\]

где

  • β1 – бета первого транзистора;
  • β2 – бета второго транзистора;

Если вся сборка включена по схеме с общим коллектором, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему равен почти 1, хотя напряжение на нагрузке будет на 1,4 вольта меньше входного напряжения (рисунок ниже).

В схеме усилителя с общим коллектором на паре Дарлингтона теряется удвоенное напряжение VБЭ, падение напряжение на PN переходах

Пары Дарлингтона могут быть приобретены как отдельные устройства (два транзистора в одном корпусе) или могут быть собраны из пары отдельных транзисторов. Конечно, если требуется еще большее усиление по току, чем то, что может быть получено на паре, можно собрать и триплет, и квадруплет Дарлингтона.

Подведем итоги:

  • Усилительный каскад с общим коллектором называется так потому, что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку.
  • Усилитель с общим коллектором также известен как эмиттерный повторитель.
  • Выходное напряжение усилителя с общим коллектором будет синфазно с входным напряжением, что делает каскад с общим коллектором неинвертирующим усилителем.
  • Коэффициент усиления по току у усилителя с общим коллектором равен β плюс 1. Коэффициент усиления по напряжению примерно равен 1 (на самом деле, чуть меньше).
  • Пара Дарлингтона представляет собой пару транзисторов, «переплетающихся» друг с другом так, чтобы эмиттер одного из них был источником тока для базы другого по схеме с общим коллектором. Результатом является общий коэффициент усиления по току равный произведению их собственных коэффициентов усиления по току (β плюс 1).

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторКаскад с общим коллекторомКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеПара ДарлингтонаЭлектроникаЭмиттерный повторитель

Сохранить или поделиться

Схемы включения транзистора и их характеристики: схемы, ВАХ. формулы, подключение

Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики.

Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с общей базой, так как база является общим электродом для источников напряжения. Изобразим ее с использованием условного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).

Транзисторы традиционно характеризуют их так называемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока iэ от напряжения и 6э при заданном напряжении uбэ, т. е. зависимость вида iэ= f (uбэ) |uкэ= const, где f — некоторая функция.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Входной характеристикой называют и график соответствующей зависимости (это справедливо и для других характеристик).

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока iк от напряжения uкб при заданном токе iэ, т. е. зависимость вида iк = f (uкб) |iэ= const, где f — некоторая функция.

Каждая входная характеристика в значительной степени определяется характеристикой эмиттерного перехода и поэтому аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора — 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-база — 30

B при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uкб объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы).

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения uкб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Если концентрация атомов примеси в базе меньше концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопротивления приводит к тому, что при неизменном токе iэ напряжение uбэ уменьшается.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Как было отмечено при рассмотрении диода, при малом по модулю обратном напряжении на p-n-переходе это напряжение влияет на ширину перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответствующие различным напряжениям uкб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если uкб > 5 В (или даже если uкб> 2 В).

Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлением rдиф, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода.

Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).

Это соотношение сохраняется даже при uкб= 0 (если ток эмиттера достаточно велик), так как и в этом случае большинство электронов, инжектированных в базу, захватывается электрическим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении ( uкб

Режим, соответствующий первому квадранту характеристик (uкб> 0, iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (uкб< 0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.

Обратный ток коллектора iкомал (для КТ603Аiко < 10 мкА при t < 25°С). Поэтому выходная характеристика, соответствующая равенствам iэ= 0ik- αст ·iэ+iко=iко,практически сливается с осью напряжений.

При увеличении температуры ток iко возрастает (для КТ603 i ко ~ 100 мкА при t < 85° С) и все выходные характеристики несколько смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током i ко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вблизи оси напряжений называют областью отсечки.

В активном режиме напряжение  u кби мощность Pк= iк ·uкб, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не перегрелся, должно выполняться неравенство Рк < Рк макс где Рк макс — максимально допустимая мощность (для КТ603А Рк мак c= 500 мВт при t < 50° С).

График зависимости iк = Рк макс / uкб (гипербола) изображен на выходных характеристиках пунктиром.

Таким образом, в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.

Транзистор часто характеризуют так называемым дифференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока α, который определяется выражением α= dik / di э| ik–заданный, uкб= const.

Для приращения тока коллектора ∆iк и приращения тока эмиттера ∆iэ можно записать: ∆iк ≈ α · ∆iэ

Коэффициент α несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у различных (вполне годных) экземпляров транзистора одного и того же типа коэффициента может заметно отличаться. Для транзистора КТ603А при t = 25° С α = 0,909 … 0,988.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Наличие наклона выходных характеристик, отражающее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера при увеличении напряжения uкб, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектированных эмиттером, переходит в коллектор.

Наклон выходных характеристик численно определяют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода (с учетом эффекта Эрли): rк=duкб/diэ|uкб– аданный, iэ=constiк=αст· iэ+ iко+ 1/rк· uкб

Схема с общим эмиттером

Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схеме, представленной на рис. 1.59. Эту схему называют схемой с общий эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.

Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока iб от напряжения uбэ при заданном напряжении uкэ , т. е. зависимость вида iб= f (uбэ) |кэ = const , где f — некоторая функция.

Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения uкэ при заданном токе iб, т. е. зависимость вида i к = f (u кэ ) |б = const,где f — некоторая функция.

Очень важно уяснить следующих два факта.

  1. Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с общей базой и не несут никакой принципиально новой информации о свойствах транзистора. Для объяснения особенностей характеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в справочниках), так как ими удобно пользоваться.
  2. При расчетах на компьютерах моделирующие программы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математические модели транзисторов, являющиеся едиными для всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полезно уметь определить тип схемы включения транзистора. Это облегчает понимание принципа работы схемы.

Входные характеристики для схемы с общим эмиттером.

Изобразим характеристики уже рассмотренного транзистора КТ603А (рис. 1.60).

Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением rдиф= (duбэ/diб) |iб– заданный , uкэ= const

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером

Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.61).

Обратимся к ранее полученному выражению iк=αст·iэ+iко В соответствии с первым законом Кирхгофа iэ=iк+iб и с учетом предыдущего выражения получим iкαст· (iк+iб) +iко откуда iк=αст/ (1 -αст) ·iб+ 1 / (1 -αст) ·iко

Введем обозначение: βст ≡ αст / (1- αст )

Коэффициент αст называют статическим коэффициентом передачи базового тока. Его величина обычно составляет десятки — сотни (это безразмерный коэффициент).

Легко заметить, что 1 / (1 -αст) = βст + 1 Введем обозначение i′ко ≡ (βст + 1) ·iко В итоге получаемiк= βст ·iб+i′ко Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывают в виде iк= βст ·iб+i′ко +uкб· ( 1 /r′к ),гдеr′к =duкэ/diк|uкэ – заданное, iб=const

В первом приближении r′к = ( 1 / 1 + β) · rк (сопротивление rк определено выше). Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β.

Для приращения тока коллектора ∆iк и тока базы ∆iб можно записать:

∆iк ≈ β · ∆ iб

По определению β=diк/diб|iк – заданный, uкэ=const

Для транзистора КТ603А при t = 25°С β = 10…80.

Величина β зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости β от тока эмиттера (он практически равен току коллектора) для uкб= 2 В (рис. 1.62).

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия Pк< Рк макс, должны выполняться условия iк<iк максиuкэ≤u кэ макс где iк макси u кэ макс — соответственно максимально допустимый постоянный ток коллектора и максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора КТ603А iк макс= 300 мА,uкэ макс = 30 В (при t < 70° С).

Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую область безопасной работы, в которой указанные условия выполняются (рис. 1.63).

Обычно допустимо предполагать (с той или иной погрешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположены на отрезках прямых, расходящихся веерообразно из одной точки на оси напряжений (рис. 1.64).

Напряжение Uэ (это положительная величина) называют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А Uэ ~ 40 В.

Инверсное включение транзистора

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора. Это так называемый инверсный режим. Ему соответствует так называемый инверсный коэффициент передачи базового тока βi. Из-за отмеченных выше несимметрии структуры транзистора и различия в концентрациях примесей в слоях полупроводника обычно βi >1.

Изобразим выходные характеристики для схемы с общим эмиттером и для прямого, и для инверсного включения (рис. 1.65).

Простейшие способы установки рабочей точки в схеме с общим эмиттером (ОЭ)

 

На рис. 3.3 приведена упрощенная схема включения биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа с ОЭ, а на рис. 3.4 — семейства типичных статических характеристик этой схемы.

 

Рис. 3.3. Упрощенная схема включения биполярного транзистора n-p-n-типа с ОЭ

 

Рис. 3.4. Статические характеристики схемы с ОЭ

 

 

Внимательное рассмотрение этих характеристик позволяет сделать ряд полезных заключений о работе транзистора в анализируемой схеме. Естественно, рассматривать следует те участки характеристик, которые соответствуют активному режиму работы транзистора.

Во-первых, из входных характеристик (рис. 3.4,а) видно, что при достижении током базы \({I_Б}_0\) определенного уровня он практически перестает влиять на напряжение \({U_{БЭ}}_0\), а вот незначительное изменение этого напряжения может приводить к существенным колебаниям тока \({I_Б}_0\). Выходные характеристики (рис. 3.4,б) и характеристики передачи (рис. 3.4,в) позволяют сделать следующие заключения. Ток базы в активном режиме оказывает большое влияние на ток коллектора \({I_К}_0\) (естественно, и на ток эмиттера \({I_Э}_0\), поскольку \(I_Э \approx I_К\)), а тот одновременно незначительно зависит от колебаний напряжения \({U_{КЭ}}_0\).

Итоговый вывод следующий: при включении по схеме с ОЭ на положение рабочей точки биполярного транзистора (т.е. на ток коллектора \({I_К}_0\)), находящегося в режиме линейного усиления (активный режим), наибольшее влияние оказывает ток базы \({I_Б}_0\), который, в свою очередь, может сильно колебаться под воздействием изменений напряжения \({U_{БЭ}}_0\). Токи коллектора \({I_К}_0\) и эмиттера \({I_Э}_0\) практически полностью определяются током базы транзистора. Напряжение \(U_{{КЭ}_0}\) не оказывает существенного влияния на другие электрические показатели каскада и должно выбираться только из соображений обеспечения нахождения транзистора в области линейного усиления и непревышения предельных электрических режимов на электродах транзистора.

На практике получили распространение два способа обеспечения заданного положения рабочей точки по постоянному току: схема с фиксированным током базы (рис. 3.5) и схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 3.6).

 

Рис. 3.5. Схема с фиксированным током базы

 

Рис. 3.6. Схема эмиттерно-базовой стабилизации

 

В первой схеме стабильность всех показателей каскада по постоянному току базируется на поддержании устойчивого значения тока базы транзистора \({I_Б}_0\). Достигается это созданием безальтернативной цепи протекания постоянного тока через резистор \(R_Б\) и эмиттерный переход транзистора \(VT1\). Поскольку сопротивление эмиттерного перехода мало, то ток \({I_Б}_0\) целиком определяется напряжением питания \(U_П\) и значением базового сопротивления \(R_Б\):

\({I_Б}_0 \approx \cfrac{U_П}{R_Б} {    } \Large \Rightarrow \normalsize {   } R_Б = \cfrac{U_П}{{I_Б}_0} \).

 

Стабильность тока базы в рассматриваемой схеме приводит к стабильности тока коллектора, поскольку

\({I_К}_0 = \beta_{ст} {I_Б}_0\),

где \(\beta_{ст}\) — статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

 

Но данная формула также демонстрирует и основной недостаток схемы с фиксированным током базы (рис. 3.5).

Дело в том, что при производстве биполярных транзисторов возникает большой разброс в возможных значениях коэффициента \(\beta_{СТ}\), т.е. для разных экземпляров приборов необходимо устанавливать разные токи базы \({I_Б}_0\), чтобы обеспечить требуемое значение тока коллектора \({I_К}_0\) (заметим, что в выборе этого параметра практически недопустимы никакие вольности, он определяет множество важнейших характеристик каскада, например, таких, как коэффициент усиления, линейность усиления, потребляемая мощность и т.п.). Таким образом, конкретная величина сопротивления \(R_Б\) будет определяться теми характеристиками, которые присущи именно конкретному экземпляру примененного в каскаде транзистора, а не всем приборам данной серии. Это крайне неудобно при серийном производстве, поэтому схема с фиксированным током базы не находит широкого применения, гораздо больше распространена схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 3.6) и различные ее доработки.

Как следует из названия, в этой схеме положение исходной рабочей точки каскада стабилизируется за счет поддержания неизменного значения напряжения на переходе эмиттер—база транзистора. Простейший способ обеспечения данного режима состоит в применении подключенного к базе транзистора делителя напряжения на двух резисторах \(R1\), \(R2\), ток через который \({I_д}_0\) значительно превышает все возможные значения тока базы \({I_Б}_0\) (это гарантирует, что ток базы транзистора не будет оказывать сколь-либо существенного влияния на напряжение в средней точке делителя). Стабильное напряжение \({U_{БЭ}}_0\) на эмиттерном переходе автоматически стабилизирует ток коллектора \({I_К}_0\) транзистора. Действительно, ведь

\( {U_{БЭ}}_0 = {I_Б}_0 r_Б + {I_Э}_0 r_Э = {I_Б}_0 \left[ r_Б + (\beta_{СТ} + 1) r_Э \right] \approx {I_Б}_0 \beta_{СТ} r_Э = {I_К}_{0} r_Э\)

\( \Large \Downarrow \)

\( {I_К}_{0} \approx \cfrac{{U_{БЭ}}_0}{r_Э}\) 

Поскольку такой физический параметр транзистора, как сопротивление эмиттерной области \(r_Э\), остается достаточно стабильным при массовом производстве, то и отпадает необходимость подбирать элементы делителя напряжения под каждый конкретный прибор — достаточно лишь один раз произвести расчеты, учитывая типономинал применяемых транзисторов и требуемое значение тока коллектора (эмиттера). Таким образом, схема эмиттерно-базовой стабилизации оказывается гораздо более удобной при массовом производстве и поэтому используется гораздо чаще (у нее есть и другие достоинства, сделавшие ее столь популярной).

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Немного теории. Схемы включения транзисторов. | Старый радиолюбитель

Эта статья для тех, кто хочет вспомнить или узнать о трех схемах включения транзисторов, их применении.

У транзисторов три вывода: эмиттер, коллектор и база. Поэтому транзистор в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) .

Рис. 1. Включение транзистора по схеме с общей базой.

Рис. 1. Включение транзистора по схеме с общей базой.

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и высоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых "коаксиальных" несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых как правило не превышает 100 ом). Если сравнивать величины сопротивлений для каскада с ОЭ и ОБ, то входное сопротивление каскада с ОБ в (1+h31э) раз меньше, чем с ОЭ, а выходное в (1+h31э) раз больше. Каскад с ОБ не изменяет фазы входного сигнала.

На рис. 1 справа приведена реальная схема усилителя с общей базой. Входное сопротивление не превышает 100 Ом. База транзистора соединена с общим проводом через конденсатор С2, который представляет для высокочастотных сигналов очень малое сопротивление. Если усилитель работает на частотах более 30 МГц, то параллельно С2 нужно включить конденсатор с емкостью 1 нФ. Высокое сопротивление каскада составляет сотни килоом, что позволяет полностью включить в цепь коллектора высокодобротный колебательный контур L1C3. Чтобы полностью использовать усилительные свойства каскада, следующий каскад должен иметь очень высокое сопротивление (например, каскад на полевом транзисторе или эмиттерный повторитель). Каскад с ОБ имеет высокую стабильность и мало зависит колебаний напряжения питания, так как охвачен ООС по постоянному току через резистор R1.

Рис. 2. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Рис. 2. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току (а следовательно и по мощности). К особенностям данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада (порядка единиц кОм), и относительно высокое (порядка нескольких кОм) выходное сопротивление. Отличительная особенность - изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (то есть - инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления по мощности схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК. В качестве усилительной характеристики транзисторов используется величина "h31э" - это статический коэффициент усиления данного экземпляра транзистора, включенного по схеме с Общим Эмиттером.

Справа на рис. 2 приведена реальная схема резонансного усилителя, где транзистор включен по схеме с ОЭ. У этой схемы имеются недостатки, по сравнению с ОБ. Имеется зависимость коэффициента усиления от частоты. Поэтому следует выбирать транзистор, граничная частота усиления которого по крайней мере в 1,5 раза превышает частоту, на которой будет работать каскад. Следует также выбирать тип транзистора с низким уровнем собственных шумов (особенно в первых каскадах усилителей с большим коэффициентом усиления). Схема с ОЭ не так стабильна, как с ОБ, так как не охвачена ООС по постоянному току. Это можно сделать, если включить в цепь эмиттера параллельно включенные резистор и блокирующий его конденсатор. Чтобы не снижать добротности резонансного контура, коллектор подключен к части его витков.

Рис. 3. Включение транзистора по схеме с общим коллектором.

Рис. 3. Включение транзистора по схеме с общим коллектором.

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Входное сопротивление каскада с ОК зависит от сопротивления нагрузки (Rн) и больше его (приблизительно) в h31э раз. Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или резонансный контур с высокой добротностью. Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Иногда такую схему называют Эмиттерным повторителем.

В схеме на рис. 3 конденсатор С3 замыкает токи высокой частоты на общий провод. Схема имет ООС по постоянному току через резистор R2.

Обобщим для ясности свойства всех схем в таблице:

Буду рад, если вам эта статья поможет.

Всем здоровья и успехов.

Принципиальная схема

, работа и характеристики

Существует различных типов транзисторных усилителей , работающих от входа переменного тока. Он меняется между положительным значением и отрицательным значением, следовательно, это один из способов представить схему усилителя с общим эмиттером для работы между двумя пиковыми значениями. Этот процесс известен как усилитель смещения, и это важная конструкция усилителя, позволяющая установить точную рабочую точку транзисторного усилителя, готового к приему сигналов, следовательно, он может уменьшить любые искажения выходного сигнала.В этой статье мы обсудим анализ обычных эмиттерных усилителей.


Что такое усилитель?

Усилитель - это электронная схема, которая используется для увеличения силы слабого входного сигнала с точки зрения напряжения, тока или мощности. Процесс увеличения силы слабого сигнала известен как усиление. Одним из наиболее важных ограничений во время усиления является то, что должна увеличиваться только величина сигнала, и не должно быть никаких изменений в исходной форме сигнала.Транзистор (BJT, FET) является основным компонентом системы усилителя. Когда транзистор используется в качестве усилителя, первым делом необходимо выбрать подходящую конфигурацию, в которой будет использоваться устройство. Затем транзистор должен быть смещен, чтобы получить желаемую точку добротности. Сигнал подается на вход усилителя, и достигается выходное усиление.

Что такое усилитель с общим эмиттером?

Усилитель с общим эмиттером представляет собой трехосновный одноступенчатый биполярный переходной транзистор и используется в качестве усилителя напряжения.Вход этого усилителя берется с клеммы базы, выходной сигнал - с клеммы коллектора, а клемма эмиттера является общей для обоих клемм. Базовое обозначение усилителя с общим эмиттером показано ниже.


Усилитель с общим эмиттером

Конфигурация усилителя с общим эмиттером

В разработке электронных схем используются три типа конфигураций транзисторов, такие как общий эмиттер, общая база и общий коллектор. его основные атрибуты.

Этот тип усилителя включает сигнал, который подается на клемму базы, а затем выходной сигнал принимается с клеммы коллектора схемы. Но, как следует из названия, основной атрибут схемы эмиттера знаком как для входа, так и для выхода.

Конфигурация транзистора с общим эмиттером широко используется в большинстве конструкций электронных схем. Эта конфигурация одинаково подходит для обоих транзисторов, таких как PNP и NPN-транзисторы, но NPN-транзисторы используются наиболее часто из-за широкого использования этих транзисторов.

В конфигурации усилителя с общим эмиттером эмиттер BJT является общим как для входного, так и для выходного сигнала, как показано ниже. Расположение такое же для транзистора PNP, но смещение будет противоположным по отношению к транзистору NPN. Конфигурации усилителя

CE
Работа усилителя с общим эмиттером

Когда сигнал подается на переход эмиттер-база, прямое смещение на этом переходе увеличивается в течение верхнего полупериода. Это приводит к увеличению потока электронов от эмиттера к коллектору через базу, следовательно, увеличивает ток коллектора.Увеличивающийся ток коллектора вызывает большее падение напряжения на резисторе RC нагрузки коллектора.

Работа усилителя CE

Отрицательный полупериод уменьшает напряжение прямого смещения на переходе эмиттер-база. Уменьшение напряжения коллектор-база уменьшает ток коллектора во всем резисторе коллектора Rc. Таким образом, резистор усиленной нагрузки появляется на резисторе коллектора. Схема усилителя с общим эмиттером показана выше.

Из осциллограмм напряжения для цепи CE, показанной на рис.(b). Видно, что существует сдвиг фазы на 180 градусов между сигналами на входе и выходе.

Работа усилителя с общим эмиттером

На приведенной ниже принципиальной схеме показана работа схемы усилителя с общим эмиттером, которая состоит из смещения делителя напряжения, используемого для подачи напряжения смещения базы в соответствии с необходимостью. Делитель напряжения смещения имеет делитель потенциала с двумя резисторами, подключенными таким образом, что средняя точка используется для подачи напряжения смещения базы.

Схема усилителя с общим эмиттером

В усилителе с общим эмиттером используются различные типы электронных компонентов: резистор R1 используется для прямого смещения, резистор R2 используется для развития смещения, резистор RL используется на выходе. называется нагрузочным сопротивлением.Резистор RE используется для термостойкости. Конденсатор C1 используется для отделения сигналов переменного тока от напряжения смещения постоянного тока, а конденсатор известен как конденсатор связи.

На рисунке показано, что характеристики транзистора усилителя с общим эмиттером смещения в зависимости от коэффициента усиления: если резистор R2 увеличивается, то увеличивается прямое смещение, а R1 и смещение обратно пропорциональны друг другу. Переменный ток подается на базу транзистора схемы усилителя с общим эмиттером, после чего возникает небольшой ток базы.Следовательно, через коллектор проходит большой ток через сопротивление RC. Напряжение около сопротивления RC изменится, потому что значение очень высокое и составляет от 4 до 10 кОм. Следовательно, в цепи коллектора присутствует огромное количество тока, который усиливается за счет слабого сигнала, поэтому транзисторы с общим эмиттером работают как схема усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером определяется как отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы.Коэффициент усиления по напряжению определяется как произведение коэффициента усиления по току и отношения выходного сопротивления коллектора к входному сопротивлению базовых цепей. Следующие уравнения показывают математическое выражение усиления по напряжению и по току.

β = ΔIc / ΔIb

Av = β Rc / Rb

Элементы схемы и их функции

Элементы схемы усилителя с общим эмиттером и их функции обсуждаются ниже.

Цепь смещения / делитель напряжения

Сопротивления R1, R2 и RE, используемые для формирования цепи смещения и стабилизации напряжения.Схема смещения должна установить надлежащую рабочую точку Q, иначе часть отрицательного полупериода сигнала может быть отключена на выходе.

Входной конденсатор (C1)

Конденсатор C1 используется для передачи сигнала на базовый вывод BJT. Если его нет, сопротивление источника сигнала Rs будет попадать на R2, и, следовательно, это изменит смещение. C1 пропускает только сигнал переменного тока, но изолирует источник сигнала от R2

Конденсатор обхода эмиттера (CE)

Конденсатор обхода эмиттера CE используется параллельно с RE, чтобы обеспечить путь с низким реактивным сопротивлением для усиленного сигнала переменного тока.Если он не используется, то усиленный сигнал переменного тока, следующий через RE, вызовет падение напряжения на нем, тем самым снизив выходное напряжение.

Конденсатор связи (C2)

Конденсатор связи C2 соединяет один каскад усиления со следующим. Этот метод используется для изоляции настроек смещения постоянного тока двух связанных цепей.

Токи цепи усилителя CE

Базовый ток iB = IB + ib, где

IB = постоянный ток базы при отсутствии сигнала.

ib = база переменного тока при подаче сигнала переменного тока и iB = общий базовый ток.

Ток коллектора iC = IC + ic, где

iC = общий ток коллектора.

IC = ток коллектора нулевого сигнала.

ic = ток коллектора переменного тока при подаче сигнала переменного тока.

Ток эмиттера iE = IE + т.е. где,

IE = Ток эмиттера нулевого сигнала.

Ie = переменный ток эмиттера при подаче переменного сигнала.

iE = полный ток эмиттера.

Анализ усилителя с общим эмиттером

Первым шагом в анализе переменного тока схемы усилителя с общим эмиттером является построение эквивалентной схемы переменного тока путем уменьшения всех источников постоянного тока до нуля и замыкания всех конденсаторов.На рисунке ниже показана эквивалентная схема переменного тока.

Эквивалентная схема переменного тока для усилителя CE

Следующим шагом в анализе переменного тока является построение схемы с h-параметром путем замены транзистора в эквивалентной схеме переменного тока его моделью с h-параметром. На рисунке ниже показана эквивалентная схема h-параметра для схемы CE.

Схема эквивалента h-параметра для усилителя с общим эмиттером

Типичные характеристики схемы CE приведены ниже:

  • Входное сопротивление устройства, Zb = hie
  • Входное сопротивление цепи, Zi = R1 || R2 || Zb
  • Выходное сопротивление устройства, Zc = 1 / hoe
  • Выходное сопротивление цепи, Zo = RC || ZC ≈ RC
  • Коэффициент усиления цепи, Av = -hfe / hie * (Rc || RL)
  • Коэффициент усиления цепи, AI = hfe.RC. Rb / (Rc + RL) (Rc + hie)
  • Коэффициент усиления цепи, Ap = Av * Ai

Частотная характеристика усилителя CE

Коэффициент усиления по напряжению усилителя CE зависит от частоты сигнала. Это связано с тем, что реактивное сопротивление конденсаторов в цепи изменяется в зависимости от частоты сигнала и, следовательно, влияет на выходное напряжение. Кривая между коэффициентом усиления напряжения и частотой сигнала усилителя называется частотной характеристикой. На рисунке ниже показана частотная характеристика типичного усилителя CE.

Частотная характеристика

Из приведенного выше графика мы видим, что усиление напряжения падает на низких ( FH) частотах, тогда как оно остается постоянным в среднечастотном диапазоне (от FL до FH).

При низких частотах ( Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 относительно велико, поэтому очень небольшая часть сигнала проходит от каскада усилителя к нагрузке.

Более того, CE не может эффективно шунтировать RE из-за его большого реактивного сопротивления на низких частотах.Эти два фактора вызывают падение усиления напряжения на низких частотах.

На высоких частотах (> FH) Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 очень мало, и он ведет себя как короткое замыкание. Это увеличивает нагрузку на каскад усилителя и снижает коэффициент усиления по напряжению.

Кроме того, на высоких частотах емкостное сопротивление перехода база-эмиттер низкое, что увеличивает ток базы. Эта частота снижает коэффициент усиления тока β.По этим двум причинам усиление напряжения падает на высокой частоте.

На средних частотах (от FL до FH) Коэффициент усиления усилителя по напряжению постоянный. Конденсатор связи C2 в этом диапазоне частот обеспечивает постоянное усиление напряжения. Таким образом, по мере увеличения частоты в этом диапазоне реактивное сопротивление CC уменьшается, что приводит к увеличению усиления.

Однако, в то же время, более низкое реактивное сопротивление означает, что более высокие почти компенсируют друг друга, что приводит к равномерному хорошему среднему уровню.

Мы можем наблюдать частотную характеристику любой схемы усилителя - это разница в ее характеристиках из-за изменений в пределах частоты входного сигнала, поскольку она показывает полосы частот, в которых выходной сигнал остается достаточно стабильным. Полоса пропускания схемы может быть определена как небольшой или большой частотный диапазон между ƒH и ƒL.

Таким образом, мы можем определить коэффициент усиления по напряжению для любого синусоидального входа в заданном диапазоне частот. Частотная характеристика логарифмического представления - это диаграмма Боде.Большинство усилителей звука имеют плоскую частотную характеристику в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Для аудиоусилителя частотный диапазон известен как полоса пропускания.

Точки частоты, такие как ƒL и ƒH, связаны с нижним и верхним углом усилителя, которые представляют собой падения коэффициента усиления схем как на высоких, так и на низких частотах. Эти частотные точки также известны как точки в децибелах. Таким образом, полоса пропускания может быть определена как

BW = fH - fL

дБ (децибел) составляет 1/10 от B (бел), это знакомая нелинейная единица измерения усиления и определяется как 20log10 ( А).Здесь «A» - десятичный коэффициент усиления, отложенный по оси ординат.

Максимальный выходной сигнал может быть получен с помощью нулевых децибел, которые передаются в сторону функции величины, равной единице, в противном случае это происходит, когда Vout = Vin, когда нет снижения на этом уровне частоты, поэтому

VOUT / VIN = 1, поэтому 20log ( 1) = 0 дБ

Как видно из приведенного выше графика, выходной сигнал в двух точках частоты среза будет уменьшаться с 0 дБ до -3 дБ и продолжает падать с фиксированной скоростью.Это уменьшение в пределах усиления известно как участок спада кривой частотной характеристики. Во всех основных схемах фильтров и усилителей эта скорость спада может быть определена как 20 дБ / декада, что равно скорости 6 дБ / октаву. Итак, порядок схемы умножается на эти значения.

Эти точки частоты среза -3 дБ будут описывать частоту, на которой усиление o / p может быть уменьшено до 70% от его максимального значения. После этого мы можем правильно сказать, что частотная точка - это также частота, на которой коэффициент усиления системы снизился до 0.7 высшей ценности.

Транзисторный усилитель с общим эмиттером

Принципиальная схема транзисторного усилителя с общим эмиттером имеет общую конфигурацию и представляет собой стандартный формат транзисторной схемы, тогда как требуется усиление по напряжению. Усилитель с общим эмиттером также преобразован в инвертирующий усилитель. Различные типы конфигураций в транзисторных усилителях представляют собой транзисторы с общей базой и общим коллектором, и рисунок показан на следующих схемах.

Транзисторный усилитель с общим эмиттером
Характеристики усилителя с общим эмиттером
  • Усиление по напряжению усилителя с общим эмиттером среднее
  • Усилитель с общим эмиттером высокий коэффициент усиления по мощности
  • На входе и выходе имеется фазовое соотношение 180 градусов
  • В усилителе с общим эмиттером входные и выходные резисторы средние.

График характеристик между смещением и усилением показан ниже.

Характеристики

Напряжение смещения транзистора

Vcc (напряжение питания) будет определять максимальный Ic (ток коллектора) после активации транзистора. Ib (базовый ток) для транзистора можно найти из Ic (ток коллектора) и коэффициента усиления по постоянному току β (бета) транзистора.

VB = VCC R2 / R1 + R2

Бета-значение

Иногда «β» упоминается как «hFE», что означает усиление прямого тока транзистора в конфигурации CE.Бета (β) - это фиксированное соотношение двух токов, таких как Ic и Ib, поэтому оно не содержит единиц. Таким образом, небольшое изменение базового тока приведет к огромным изменениям в токе коллектора.

Транзисторы того же типа, а также их номер детали будут иметь огромные изменения в пределах их значений «β». Например, транзистор NPN, такой как BC107, имеет значение бета (коэффициент усиления постоянного тока составляет от 110 до 450 на основе таблицы данных. Таким образом, один транзистор может включать значение 110 бета, тогда как другой может включать значение 450 бета, однако оба транзистора являются Транзисторы NPN BC107, потому что бета - это особенность структуры транзистора, но не его функция.

Когда база или эмиттерный переход транзистора подключен к прямому смещению, тогда напряжение эмиттера «Ve» будет единственным переходом, где падение напряжения отличается от напряжения на выводе базы. Ток эмиттера (Ie) - это не что иное, как напряжение на резисторе эмиттера. Это можно просто вычислить с помощью закона Ома. «Ic» (ток коллектора) можно приблизительно определить, так как это значение примерно равно току эмиттера.

Входное и выходное сопротивление усилителя с общим эмиттером

В любой конструкции электронной схемы уровни импеданса являются одним из основных атрибутов, которые необходимо учитывать.Значение входного импеданса обычно находится в диапазоне 1 кОм, хотя оно может значительно отличаться в зависимости от условий, а также значений схемы. Меньший входной импеданс будет результатом того факта, что вход подается через два вывода транзисторной базы и эмиттера, потому что имеется переход с прямым смещением.

Кроме того, импеданс o / p сравнительно высок, потому что он снова значительно варьируется в зависимости от значений выбранных электронных компонентов и допустимых уровней тока.Импеданс o / p составляет минимум 10 кОм, в противном случае он может быть высоким. Но если сток позволяет потреблять ток высокого уровня, то импеданс o / p будет значительно уменьшен. Уровень импеданса или сопротивления исходит из того факта, что выход используется от клеммы коллектора, потому что здесь имеется обратносмещенный переход.

Одноступенчатый усилитель с общим эмиттером

Одноступенчатый усилитель с общим эмиттером показан ниже, а различные элементы схемы и их функции описаны ниже.

Цепь смещения

Цепи, такие как смещение, а также стабилизация, могут быть сформированы с сопротивлениями, такими как R1, R2 и RE

Входная емкость (Cin)

Входная емкость может быть обозначена с помощью 'Cin', что означает используется для объединения сигнала по направлению к клемме базы транзистора.

Если эта емкость не используется, то сопротивление источника сигнала будет приближаться к резистору «R2», чтобы изменить смещение. Этот конденсатор позволяет просто подавать сигнал переменного тока.

Конденсатор обхода эмиттера (CE)

Подключение конденсатора обхода эмиттера можно выполнить параллельно с RE, чтобы получить полосу с низким реактивным сопротивлением в направлении усиленного сигнала переменного тока. Если он не используется, то усиленный сигнал переменного тока будет проходить через RE, вызывая падение напряжения на нем, поэтому напряжение o / p может быть сдвинуто.

Конденсатор связи (C)

Этот конденсатор связи в основном используется для объединения усиленного сигнала к устройству переключения, чтобы обеспечить подачу простого сигнала переменного тока.

Работа

Как только слабый входной сигнал переменного тока подается на вывод базы транзистора, то небольшое количество базового тока будет подавать из-за этого действия транзистора высокий переменный ток. ток будет протекать через нагрузку коллектора (RC), поэтому высокое напряжение может быть видно как на нагрузке коллектора, так и на выходе. Таким образом, слабый сигнал подается на вывод базы, который появляется в усиленной форме в цепи коллектора. Коэффициент усиления усилителя по напряжению, как и Av, представляет собой соотношение между усиленными входным и выходным напряжениями.

Частотная характеристика и полоса пропускания

Можно сделать вывод об усилении напряжения усилителя, таком как Av, для нескольких входных частот. Его характеристики могут быть нанесены на обе оси, как частота на оси X, тогда как усиление напряжения - на оси Y. График частотной характеристики может быть получен, который показан в характеристиках. Таким образом, мы можем наблюдать, что коэффициент усиления этого усилителя может быть уменьшен на очень высоких и низких частотах, однако он остается стабильным в широком диапазоне средних частот.

Нижняя граничная частота fL может быть определена как частота ниже 1. Можно выбрать диапазон частот, при котором усиление усилителя будет вдвое больше, чем при средней частоте.

fL (верхняя частота среза) может быть определена как когда частота находится в верхнем диапазоне, в котором усиление усилителя в 1 / √2 раза больше усиления средней частоты.

Полоса пропускания может быть определена как интервал частоты между нижними и верхними частотами среза.

BW = fU - fL

Теория экспериментов с усилителем с общим эмиттером

Основная цель этого транзисторного усилителя CE NPN - исследование его работы.

Усилитель CE - одна из основных конфигураций транзисторного усилителя. В этом тесте учащийся разработает, а также изучит фундаментальный транзисторный усилитель NPN CE. Предположим, учащийся обладает некоторыми знаниями в области теории транзисторных усилителей, таких как использование эквивалентных схем переменного тока. Таким образом, учащийся должен разработать свой собственный процесс проведения эксперимента в лаборатории. После того, как предварительный анализ будет полностью завершен, он сможет проанализировать и обобщить результаты эксперимента в отчете.

Необходимые компоненты: транзисторы NPN - 2N3904 и 2N2222), VBE = 0,7 В, Beta = 100, r’e = 25 мВ / IE в анализе Pre-lab.

Предварительная лаборатория

В соответствии со схемой, рассчитайте параметры постоянного тока, такие как Ve, IE, VC, VB и VCE, приблизительным методом. Нарисуйте эквивалентную схему переменного тока и вычислите Av (усиление по напряжению), Zi (входное сопротивление) и Zo (выходное сопротивление). Также нарисуйте составные формы сигналов, которые можно прогнозировать в разных точках, таких как A, B, C, D и E.В точке «A», принимая Vin как пик 100 мВ, синусоида с частотой 5 кГц.

Для усилителя напряжения нарисуйте схему с входным импедансом, источником напряжения, который зависит, а также импедансом o / p

Измерьте значение входного импеданса, например Zi, вставив испытательный резистор последовательно через входные сигналы в направлении Усилитель и измерить, насколько сигнал генератора переменного тока действительно появится на входе усилителя.

Чтобы определить выходное сопротивление, на мгновение выньте нагрузочный резистор и рассчитайте ненагруженное переменное / релейное напряжение.После этого вставьте обратно резистор нагрузки, снова измерьте напряжение ac o / p. Эти измерения можно использовать для определения выходного сопротивления.

Эксперимент в лаборатории

Разработайте схему соответствующим образом и проверьте все приведенные выше расчеты. Используйте связь по постоянному току, а также двойную трассировку осциллографа. После этого выньте на мгновение общий эмиттер и снова измерьте напряжение o / p. Оцените результаты, используя предварительные вычисления.

Преимущества

К преимуществам усилителя с обычным эмиттером можно отнести следующее.

  • Усилитель с общим эмиттером имеет низкое входное сопротивление и представляет собой инвертирующий усилитель
  • Выходное сопротивление этого усилителя высокое
  • Этот усилитель имеет наибольшее усиление мощности в сочетании со средним напряжением и усилением по току
  • Коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером высокий
Недостатки

К недостаткам усилителя с общим эмиттером можно отнести следующее.

  • На высоких частотах усилитель с общим эмиттером не отвечает
  • Коэффициент усиления по напряжению этого усилителя нестабилен
  • Выходное сопротивление в этих усилителях очень высокое
  • В этих усилителях наблюдается высокая тепловая нестабильность
  • Высокое выходное сопротивление
Применения

Применение усилителя с общим эмиттером включает следующее.

  • В усилителях напряжения низкой частоты используются усилители с общим эмиттером.
  • Эти усилители обычно используются в радиочастотных цепях.
  • Обычно усилители используются в усилителях с низким уровнем шума.
  • Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения, особенно на низких частотах.
  • Усилители с общим эмиттером также используются в схемах радиочастотных приемопередатчиков.
  • Конфигурация с общим эмиттером, обычно используемая в малошумящих усилителях.

В этой статье обсуждается работа схемы усилителя с общим эмиттером. Прочитав приведенную выше информацию, вы получите представление об этой концепции. Кроме того, любые вопросы относительно этого или если вы хотите реализовать электрические проекты, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать в разделе ниже. Вот вам вопрос, какова функция усилителя с общим эмиттером?

Транзисторный усилитель с общим эмиттером »Электроника

Конфигурация усилителя с общим эмиттером обеспечивает усиление по напряжению и является одной из наиболее широко используемых конфигураций транзисторов для проектирования электронных схем.


Руководство по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Конструкция схемы с общим эмиттером Эмиттер-повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем


Схема усилителя на транзисторах с общим эмиттером является одной из основных схем для использования в разработке электронных схем, предлагая множество преимуществ.

Конфигурация схемы с общим эмиттером используется во многих областях проектирования электронных схем: в качестве усилителя звука, в качестве основного переключателя для логических схем, в качестве аналогового усилителя общего назначения и во многих других приложениях.

Конфигурация схемы с общим эмиттером обеспечивает усиление по напряжению в сочетании с умеренным усилением по току, а также со средним входным и средним выходным сопротивлением. Таким образом, конфигурация с общим эмиттером является хорошей универсальной схемой для использования во многих приложениях.

Также на этом этапе стоит отметить, что усилитель на транзисторах с общим эмиттером инвертирует сигнал на входе. Следовательно, если на вход усилителя с общим эмиттером поступает растущий сигнал, это приведет к падению выходного напряжения.Другими словами, он имеет изменение фазы на 180 ° в цепи.

В зависимости от конструкции самой электронной схемы, общий эмиттер не использует слишком много электронных компонентов, иногда всего два резистора, хотя, если требуется настройка смещения для аналоговых схем, можно использовать четыре резистора и три конденсатора.

Основы транзисторного усилителя с общим эмиттером

Из трех типов конфигурации транзисторов, используемых в проектировании электронных схем, общий эмиттер является наиболее широко используемым из-за его ключевых свойств.

Сигнал усилителя с общим эмиттером подается на базу, а выходной сигнал снимается с коллекторной цепи. Однако, как следует из названия этой схемы, ключевым атрибутом является то, что схема эмиттера является общей как для ввода, так и для вывода.

Конфигурация схемы с общим эмиттером транзистора

Конфигурация с общим эмиттером в равной степени применима как к вариантам транзистора NPN, так и к вариантам транзистора PNP. Тем не менее, разновидность NPN более широко используется из-за более широкого использования транзисторов NPN.

Сводка характеристик усилителя на транзисторах с общим эмиттером

При выборе конфигурации транзистора для использования в конструкции электронной схемы необходимо учитывать различные атрибуты трех типов: общий эмиттер, общий коллектор и общую базу, и выбрать наиболее подходящий.

В таблице ниже приведены основные характеристики конфигурации транзистора с общим эмиттером.


Характеристики усилителя на транзисторах с общим эмиттером
Параметр Характеристики
Коэффициент усиления напряжения Средний
Коэффициент усиления по току Средний
Прирост мощности Высокая
Соотношение фаз вход / выход 180 °
Входное сопротивление Средний
Выходное сопротивление Средний

Из этих характеристик видно, что конфигурация с общим эмиттером обеспечивает хорошие универсальные характеристики.Одним из ключевых факторов является то, что он обеспечивает хороший уровень усиления по напряжению - атрибут, который требуется при проектировании электронных схем для многих приложений.

Схема также относительно проста и требует нескольких электронных компонентов, в зависимости от того, как выполняются требования к конструкции электронной схемы.

Уровни импеданса усилителя с общим эмиттером

Одним из ключевых атрибутов, которые следует учитывать при проектировании любой электронной схемы, являются уровни импеданса.

Входное сопротивление обычно составляет около 1 кОм, хотя оно может значительно варьироваться в зависимости от значений схемы и условий. Низкое входное сопротивление является результатом того факта, что вход применяется через базу и эмиттер, где есть переход, смещенный в прямом направлении,

Также выходной импеданс может быть относительно высоким. Опять же, это значительно зависит от выбранных значений электронных компонентов и допустимых уровней тока. Выходное сопротивление может достигать 10 кОм или, возможно, больше.Однако, если сток позволяет потреблять более высокие уровни тока, выходное сопротивление может быть значительно уменьшено. Уровень сопротивления или импеданса определяется тем фактом, что выходной сигнал снимается с коллектора, где есть обратносмещенный переход.

Коэффициент усиления транзисторного усилителя с общим эмиттером

Еще один важный фактор, который следует учитывать при проектировании электронной схемы, - это достижимый уровень усиления. Можно определить две формы усиления: усиление по току и усиление по напряжению.

Коэффициент усиления по току для схемы усилителя с общим эмиттером обозначается греческим символом β. Это отношение тока коллектора к току базы. Это можно представить как отношение выходного тока к входному. Чтобы получить точное значение коэффициента усиления сигнала, часто используется коэффициент усиления по току для небольших входных изменений тока. Используя это, коэффициент усиления по току β и изменения входного и выходного тока связаны следующим образом:

Где
β = усиление по току
ΔIc = изменение тока коллектора
ΔIb = изменение базового тока

Чтобы посмотреть на коэффициент усиления по напряжению схемы усилителя с общим эмиттером, необходимо посмотреть на сопротивления или импедансы для входа и выхода.

β = ΔIcΔIb = ΔVcRcΔVbRb

Av = ΔVcΔVb

Следовательно:

Av = β RcRb

Где
Av = усиление по напряжению
Rc = выходное сопротивление коллекторной цепи
Rb = входное сопротивление базовой цепи

Соотношение фаз на входе и выходе с общим эмиттером

Транзисторный усилитель с общим эмиттером - единственная конфигурация, которая обеспечивает инверсию на 180 ° между входным и выходным сигналами.

Причину этого можно увидеть из того факта, что по мере увеличения входного напряжения увеличивается ток через базовую цепь.В свою очередь, это увеличивает ток в цепи коллектора, то есть имеет тенденцию включать транзистор. Это приводит к падению напряжения между выводами коллектора и эмиттера.

Таким образом, увеличение напряжения между базой и эмиттером привело к падению напряжения между выводами коллектора и эмиттера, другими словами, фаза двух сигналов была инвертирована.

Практические схемы усилителя с общим эмиттером

При проектировании электронных схем для различных приложений и для удовлетворения различных требований можно использовать один из множества вариантов схемы транзистора с общим эмиттером.

В то время как основные теоретические схемы, показанные выше, способны описать базовую работу усилителя с общим эмиттером в принципе.

Однако, чтобы схема могла работать в реальной системе, необходимо добавить другие элементы, такие как смещение, развязка и т.п. В результате общая схема усилителя с общим эмиттером использует несколько компонентов, чтобы гарантировать, что он может работать требуемым образом.

Усилитель простой логики с общим эмиттером

Первый пример - это простейшая форма схемы с общим эмиттером, в которой используется очень мало электронных компонентов.Обычно он используется для управления нагрузкой с цифрового выхода предыдущего каскада.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером
R1 R1 ограничивает базовый ток и предотвращает повреждение эмиттерного перехода базы. Он должен быть рассчитан таким образом, чтобы обеспечить достаточный ток коллектора при минимальном усилении тока транзистора, и включать некоторый запас для обеспечения его правильного включения.
R2 Этот резистор обеспечивает заземление и помогает регулировать скорость переключения транзистора.
R3 Это резистор нагрузки коллектора в усилителе с общим эмиттером.

При управлении маленьким транзистором общего назначения от логического выхода 5 В типичные значения могут быть 2 кОм для R1 и 22 кОм для R2.

Простой усилитель с общим эмиттером для управления реле

Часто бывает полезно использовать простую схему с общим эмиттером для управления реле.Простая схема, показанная выше, может быть адаптирована для управления реле.

Необходимо учитывать ток, необходимый для переключения и удержания реле, и в базовой цепи должен протекать ток, достаточный для протекания необходимого тока в цепи коллектора.

Для многих реле сопротивление резистора R1 может быть около 2 кОм, а R2 - 22 кОм, но они должны быть рассчитаны в конструкции электронной схемы, чтобы обеспечить требуемый ток.

Схема управления реле на простом транзисторе с общим эмиттером

Следует отметить, что при высоком входном напряжении реле срабатывает.Это когда коллектор включен, и напряжение коллектора понижено.

Диод включен для подавления обратной ЭДС, индуцированной при отключении тока, протекающего через катушку реле. Важно предотвратить повреждение транзистора.

Схема общего эмиттера с использованием транзистора смещения с одной базой

Схема с общим эмиттером с использованием транзистора смещения с одной базой
R1 R1 ограничивает базовый ток и предотвращает повреждение эмиттерного перехода базы.Он должен быть рассчитан таким образом, чтобы обеспечить достаточный ток коллектора при минимальном усилении тока транзистора, и включать некоторый запас для обеспечения его правильного включения.
R1 Этот резистор обеспечивает смещение для транзистора. Его значение следует рассчитать, чтобы получить требуемый ток коллектора.
R3 Это резистор нагрузки коллектора в усилителе с общим эмиттером.Его значение рассчитывается таким образом, чтобы при токе покоя коллектора оно упало наполовину от напряжения шины, при условии, что конструкция электронной схемы используется в качестве линейного усилителя.

Этот тип схемы с общим эмиттером очень прост, минимизирует количество электронных компонентов и использует один резистор для смещения базы. Он не обеспечивает производительность, требуемую для многих схем, поскольку коэффициент усиления транзистора будет варьироваться от одного устройства к другому, и это изменит работу схемы.

Схема общего эмиттера с использованием транзистора смещения с одной базой (2)

Эта версия эмиттерного повторителя смещения базы с одним резистором предлагает немного большую предсказуемость схемы.

Подключение резистора смещения между коллектором и базой обеспечивает дополнительную стабильность для условий постоянного тока.

Схема с общим эмиттером с использованием транзистора смещения с одной базой между коллектором и базой

Транзисторный усилитель с общим эмиттером со смещением постоянного тока и связью по переменному току

На схеме ниже показана конструкция электронной схемы усилителя с общим эмиттером с резисторами, обеспечивающими необходимое смещение для линейной работы, а также конденсаторы связи и развязки для работы на переменном токе.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером

Внутри схемы имеется ряд компонентов, которые обеспечивают различные функции, позволяющие всей схеме работать требуемым образом:


R1, R2 Эти резисторы обеспечивают смещение для базы транзистора.
R3 Это резистор нагрузки коллектора в усилителе с общим эмиттером.
R4 Этот резистор в усилителе с общим эмиттером обеспечивает обратную связь по постоянному току, чтобы гарантировать, что условия постоянного тока в цепи поддерживаются.
C1, C2 Эти конденсаторы обеспечивают связь по переменному току между ступенями. Их нужно выбирать так, чтобы они обеспечивали незначительное реактивное сопротивление на рабочих частотах.
C3 Это байпасный конденсатор. Эффект R4 заключается в уменьшении коэффициента усиления схемы. Обход резистора позволяет достичь более высоких уровней усиления переменного тока.

Схема, показанная выше, представляет собой базовый усилитель с общим эмиттером, связанный по переменному току.

Схема с общим эмиттером может использоваться в различных формах.- иногда в качестве транзисторного логического выхода, усилителя с прямой связью и во многих других областях. Он широко используется, обеспечивая хороший компромисс между коэффициентом усиления по напряжению и току, а также входным и выходным сопротивлением.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Конструкция транзисторного усилителя с общим эмиттером »Lectronics Notes

Простые в использовании пошаговые инструкции по проектированию электронной схемы каскада усилителя на транзисторах с общим эмиттером, показывающие расчеты значений электронных компонентов.


Руководство по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Конструкция схемы с общим эмиттером Эмиттер-повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем


Усилитель с общим эмиттером широко используется, и его электронная схема относительно проста..

Есть несколько простых расчетов, которые можно комбинировать с простой схемой проектирования, чтобы получить надежный результат. Довольно легко принять предпочтительные значения компонентов в конструкции усилителя с общим эмиттером.

Существует несколько вариантов усилителя с общим эмиттером, и они могут быть легко включены в конструкцию. Самая основная форма конструкции усилителя с общим эмиттером - это простой логический буфер / выход, состоящий из транзистора и пары резисторов.В него можно добавить несколько дополнительных компонентов, чтобы он стал усилителем со связью по переменному току со смещением по постоянному току и резистором обхода эмиттера.

Простая логическая конструкция усилителя с общим эмиттером

Эта очень простая конструкция логического буфера или усилителя с общим эмиттером настолько проста, насколько может быть любая конструкция.

На схеме показан транзистор с входным резистором и коллекторным резистором. Входной резистор используется для ограничения тока, протекающего в базу, а резистор коллектора используется для создания этого напряжения на выходе.

Когда на входе виден высокий логический уровень, это заставляет ток течь через R1 в базу. Это вызывает включение транзистора. В свою очередь, напряжение на коллекторе падает почти до нуля, и все напряжение вырабатывается на резисторе R1.

Видно, что есть инверсия фазы. При высоком входном напряжении выходной сигнал низкий, т.е. Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером - этот вариант часто используется с логическими схемами в качестве простого переключателя.

Усилитель с общим эмиттером, действующий как буфер для логической ИС, очень легко спроектировать.

Хотя это не единственный способ спроектировать сцену, можно использовать следующее пошаговое руководство.

  1. Выберите транзистор: Выбор транзистора, обозначенного на схеме как TR1, будет зависеть от ряда факторов:
    • Ожидаемое рассеивание мощности.
    • Требуемая скорость переключения - для коммутационных приложений выбирайте переключающий транзистор, а не другую форму транзистора с широкой полосой пропускания, фут.
    • Требуемое усиление по току.
    • Требуемый ток.
    • Коллектор-эмиттер напряжение.
    Все это можно предвидеть с достаточной точностью до начала проектирования. После завершения проектирования следует проверить все цифры, чтобы убедиться, что транзистор соответствует выбранным значениям.
  2. Рассчитать резистор коллектора: Выбрав тип транзистора, необходимо определить значения других электронных компонентов.Определение резистора коллектора R2 достигается путем определения тока, необходимого для протекания через резистор. Это будет зависеть от таких элементов, как ток, который должна обеспечивать цепь. Также может потребоваться светодиодный индикатор, включенный последовательно с резистором коллектора. Сила тока должна быть определена так, чтобы обеспечить требуемый световой поток. Номинал резистора можно определить с помощью закона Ома, зная ток, протекающий через резистор, и напряжение на нем.
  3. Определите номинал резистора базы: Ток базы - это ток коллектора, деленный на значение β или hfe, которое практически одинаково. Убедитесь, что имеется достаточный ток привода, чтобы включить транзистор для самых низких значений β даже при низких температурах, когда значения β будут ниже. Следует проявлять осторожность, чтобы не пропускать чрезмерный ток в базу, поскольку в результате переключение может занять больше времени, поскольку необходимо удалить избыточный накопленный заряд.
  4. Переоценить исходные допущения: После того, как проект был завершен, необходимо повторно оценить некоторые из начальных решений и оценок на случай, если окончательный дизайн что-то изменил.

Простая конструкция усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току

Конструкция электронной схемы для базовой схемы усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току приведена ниже.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером и одним базовым резистором смещения

Эта схема не получила широкого распространения, поскольку трудно определить точную рабочую точку схемы из-за встречающихся вариаций значений β.

Можно использовать пошаговый процесс, показанный ниже:

  1. Выберите транзистор: Выбор транзистора будет зависеть от факторов, включая ожидаемую рассеиваемую мощность, напряжение коллектор-эмиттер, полосу пропускания и т. Д.
  2. Выберите резистор коллектора: Значение должно быть выбрано таким образом, чтобы коллектор находился примерно на половине питающей шины для требуемого тока. Величину сопротивления можно определить просто по закону Ома. Текущее значение следует выбирать так, чтобы сопротивление / выходное сопротивление было приемлемым для следующего этапа.
  3. Выберите базовый резистор: Используя показатель β для транзистора, определите базовый ток.Затем, используя закон Ома, зная напряжение питания и тот факт, что база будет на 0,5 В (для кремния) над землей, рассчитайте резистор.
  4. вычислить разделительные конденсаторы: Используя знание входного и выходного импедансов, определите значение конденсатора, равное импедансу на самой низкой частоте использования. (Xc = 2π f C, где C - в фарадах, а частота - в Гц).
  5. Пересмотрите расчеты: Пересмотрите все расчеты и допущения, чтобы убедиться, что все они по-прежнему действительны в свете того, как развивалась схема.

Комплексная конструкция усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току

Включив несколько дополнительных компонентов в общую схему эмиттера, можно обеспечить лучший уровень усиления, а также улучшенную температурную стабильность при постоянном токе.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером

Конструкция усилителя с общим эмиттером относительно проста. В качестве основы можно использовать следующую схему проектирования.

  1. Выберите транзистор: Как и прежде, тип транзистора следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями к рабочим характеристикам.
  2. Расчет резистора коллектора: Необходимо определить ток, необходимый для адекватного управления следующей ступенью. Зная, какой ток должен протекать через резистор, выберите напряжение коллектора, равное примерно половине напряжения питания, чтобы обеспечить равные колебания сигнала вверх и вниз. Это определит номинал резистора по закону Ома.
  3. Рассчитайте резистор эмиттера: обычно для напряжения эмиттера выбирается напряжение около 1 вольт или 10% от значения шины.Это обеспечивает хороший уровень устойчивости схемы по постоянному току. Вычислите сопротивление, зная ток коллектора (фактически такой же, как ток эмиттера) и напряжение эмиттера.
  4. Определить базовый ток: Можно определить базовый ток, разделив ток коллектора на β (или hfe, что по сути то же самое). Если указан диапазон для β, работайте с осторожностью.
  5. Определите базовое напряжение: Это легко вычислить, потому что базовое напряжение - это просто напряжение эмиттера плюс напряжение перехода база-эмиттер.Это принято равным 0,6 В для кремниевых и 0,2 В для германиевых транзисторов.
  6. Определите номиналы резистора базы: Предположим, что ток, протекающий через цепь R1 + R2, примерно в десять раз больше необходимого тока базы. Затем выберите правильное соотношение резисторов, чтобы обеспечить необходимое напряжение на базе.
  7. Конденсатор обхода эмиттера: Коэффициент усиления схемы без конденсатора на резисторе эмиттера составляет приблизительно R3 / R4.Чтобы увеличить коэффициент усиления для сигналов переменного тока, добавлен конденсатор С3 обхода эмиттерного резистора. Это должно быть рассчитано таким образом, чтобы реактивное сопротивление равнялось R4 при самой низкой рабочей частоте.
  8. Определите значение входного конденсатора: Величина входного конденсатора должна равняться сопротивлению входной цепи на самой низкой частоте, чтобы обеспечить падение -3 дБ на этой частоте. Общий импеданс цепи будет β умноженным на R3 плюс любое сопротивление, внешнее по отношению к цепи, т.е.е. сопротивление источника. Внешнее сопротивление часто игнорируется, так как оно, скорее всего, не окажет чрезмерного влияния на схему.
  9. Определите значение выходного конденсатора: Опять же, выходной конденсатор обычно выбирается так, чтобы он равнялся сопротивлению цепи на самой низкой рабочей частоте. Сопротивление цепи - это выходное сопротивление эмиттерного повторителя плюс сопротивление нагрузки, т. Е. Следующей цепи.
  10. Переоценить предположения: В свете того, как развивалась схема, переоценить любые предположения схемы, чтобы убедиться, что они по-прежнему остаются в силе.Такие аспекты, как выбор транзистора, значения потребления тока и т. Д.

Можно получить более определенное усиление для каскада для сигналов более высокой частоты, поместив резистор (R5) последовательно с C3. Для низких значений усиления по напряжению это можно определить из простого соотношения A v = R3 / R5.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером и дополнительным эмиттерным резистором в цепи обхода конденсатора

После небольшой практики различные каскады в конструкции транзисторного усилителя с общим эмиттером становятся второй натурой, и их можно очень легко выполнить.Выбор транзистора также может быть упрощен. Как упоминалось выше, очень важно использовать переключающий транзистор для коммутационных приложений - даже транзисторы с большим ft или отсечкой не будут работать так же хорошо, как правильный переключающий транзистор.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

BJT Усилитель с общим эмиттером - Курс аналоговой электроники

Базовый усилитель с общим эмиттером BJT имеет очень высокий коэффициент усиления, могут сильно отличаться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения. и поэтому реальный выигрыш в некоторой степени непредсказуем. Один из распространенных способов решения этих проблем - использование эмиттерное вырождение. Вырождение эмиттера относится к добавлению небольшого резистора (R4) между эмиттером и общий источник сигнала.

В этой схеме клемма базы транзистора является входом, коллектор - выходом, а эмиттер - выходом. общий для обоих. Это усилитель напряжения с инвертированным выходом. Усилитель BJT с общим эмиттером - один из трех основные конфигурации одноступенчатых усилителей на биполярно-переходных транзисторах (BJT).

R3 6,8 тыс. 1 тыс.

R4 1K510

CE 100u10n

Вибрация 10 мВ 50 мВ

    Примечания:
  • Измерьте результаты моделирования и сравните их с теоретическими, используя приведенные ниже формулы.Ты можешь получить значения формы сигнала, щелкнув по графику. Предположим следующее для вашего расчеты
  • Мы используем модель транзистора 2N3904. Если вы правильно построите эту схему в лаборатории, используя 2N3904, вы должны увидеть аналогичные результаты.
  • Используйте «Переключить график» для просмотра совмещенных или сложенных графиков. Сложенные графики отображают максимальные формы сигналов, тогда как комбинированные формы сигналов показывают их относительные значения.
  • Когда вы выбираете конденсатор CE равным 10 нФ, его реактивное сопротивление (@ источник сигнала частота 1 кГц) намного меньше, чем R4, и ею можно пренебречь.Нарисуйте эквивалентную схему переменного тока без CE и получить коэффициент усиления по напряжению. \ begin {уравнение} {v_c \ over v_i} = - {R_3 \ over r_e + R_4} \ end {уравнение}

Анализ постоянного тока

Сначала мы перерисовываем схему, используя модель BJT DC. Конденсаторы считаются разомкнутой цепью постоянного тока и поэтому исключаются.

I B можно игнорировать, если \ begin {уравнение} 10R_2 B можно рассчитать, используя KVL как простую схему делителя напряжения. \ begin {уравнение} V_B = {R_2 \ over {R_1 + R_2}} V_S \ end {уравнение} Ток в узле E \ begin {уравнение} I_E = I_B + I_C \ end {уравнение} если I C намного больше, чем I B , I B можно игнорировать \ begin {уравнение} I_E = I_C \ end {уравнение}

Использование KVL (закон напряжения Кирхгофа) \ begin {уравнение} V_B = I_ER_4 + V_ {BE} \ end {уравнение} \ begin {уравнение} V_S = I_CR_3 + V_ {C} \ end {уравнение}

Если вы проектируете, а не анализируете цепь постоянного тока, вам следует выбирать номиналы резистора таким образом, чтобы VC составлял половину напряжение питания.Это необходимо для получения максимального размаха выходного напряжения.

\ begin {уравнение} V_ {C} = {V_S \ более 2} \ end {уравнение}

Анализ переменного тока

Далее мы перерисовываем схему, используя малый сигнал BJT. модель. Конденсаторы считаются закороченными в сети переменного тока (R4 закорочен Ce) и источники постоянного тока подключены к GND (земле). Рассчитать re

\ begin {уравнение} r_e = {v_T \ over I_E} \ end {уравнение}

Так как входное напряжение v i проходит через r e и с использованием закона Ома

\ begin {уравнение} i_e = {v_i \ over r_e} \ end {уравнение}

Выходное напряжение \ begin {уравнение} v_c = -i_cR_3 \ end {уравнение} инвертированный выход обусловлен текущим направлением.

Из KCL мы знаем, что \ begin {уравнение} i_e = i_b + i_c \ end {уравнение} Игнорируя i b из уравнения, поскольку оно мало по сравнению с i c , мы получаем \ begin {уравнение} v_c = -i_eR_3 \ end {уравнение}

Применяя уравнение 9 к уравнению 12, коэффициент усиления по напряжению усилителя равен \ begin {уравнение} {v_c \ over v_i} = - {R_3 \ over r_e} \ end {уравнение}

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на рост числа посетителей, нам нужна ваша помощь в поддержании и улучшении этого сайта, что требует времени, денег и тяжелого труда.Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно.

Если вы воспользовались этим сайтом и можете, пожалуйста, отдать 10 долларов через Paypal . Это позволит нам продолжаем в будущее. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

Усилитель с общим эмиттером

- технические знания

Здравствуйте, друзья, надеюсь, у вас все отлично. В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим усилитель с общим эмиттером . В электронной технике конфигурация усилителя с общим эмиттером - это базовая технология однокаскадного усилителя BJT, которая обычно работает как усилитель напряжения. В этой конфигурации база транзистора работает как входной коллектор, так как выходная клемма и эмиттер являются общими как для базы, так и для коллектора.

В этой схеме эмиттер компоновки соединен с землей, поэтому это также называется конфигурацией заземленного эмиттера. В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим схему расположения общего эмиттера, его работу и некоторые другие параметры.Итак, давайте начнем с усилителя с общим эмиттером .

Усилитель с общим эмиттером
  • На рисунке ниже схема усилителя с общим эмиттером с конфигурацией смещения напряжения и двумя разделительными конденсаторами C1 и C2 соединена на входе и выходе.
  • Имеется байпасный конденсатор С2, соединенный от эмиттера к земле.
  • Сигнал входного напряжения Vin подключается к базе через конденсатор, а выходной сигнал подключается к нагрузке через клемму коллектора.
  • Выход этой схемы сдвинут по фазе на восемьдесят градусов по отношению к входному сигналу.
  • Вы можете отметить, что переменное напряжение подается на базу, поскольку вход и выход снимаются с коллектора, а эмиттер является общим для входных и выходных клемм.
  • Сигнал на эмиттере не выходит, поскольку шунтирующий конденсатор закоротил эмиттер с землей на частоте сигнала.

Чередование фаз

  • Сигнал выходного напряжения не совпадает по фазе с входным сигналом и не совпадает по фазе на 180 градусов.При изменении значения входа он изменяет базовый переменный ток, который вызывает отклонение тока коллектора от его значения Q-точки.
  • С увеличением тока базы ток коллектора увеличивается выше своей точки Q, что приводит к увеличению потерь напряжения около сопротивления RC.
  • Он увеличивает напряжение на RC, это означает, что напряжение на коллекторе уменьшается от его точки Q.
  • Следовательно, любое изменение входного сигнала вызывает противоположное изменение напряжения сигнала коллектора, то есть инверсию фазы.
Анализ постоянного тока
  • Для анализа данной схемы в первую очередь необходимо определить смещение постоянного тока.
  • Для этой схемы замещения постоянного тока создается путем разделения конденсатора связи и шунтирующего конденсатора, поскольку они используются для смещения постоянного тока.
  • Также снижает сопротивление нагрузки и напряжение источника. Результирующая схема постоянного тока показана на рисунке ниже.
  • Применение теоремы Тевенина, а затем KVL к имеющейся у нас схеме база-эмиттер.

РУТ = R1R2 / R1 + R2

= (6,8 кОм) (22 кОм) / (6,8 кОм + 22 кОм)

= 5,19 кОм

VTH = (R2 / R1 + R2) VCC

[6,8 кОм / (6,8 кОм + 22 кОм)]

= 2,83 В

IE = VTH - VBE / RE + (RTH / bDC)

= (2,83 В - 0,7 В) / (560 Ом + 34,6 Ом) = 2 В

VB = VE + 0,7 В = 2,7 В

VC = VCC - МККК

= 12 В - (3,58 мА) (1,0 кОм) = 8,42 В

VCE = VC - VE = 8,42 В - 2 В = 6,42 В

Анализ переменного тока
  • Для анализа работы сигнала переменного тока усилителя результирующую электрическую схему переменного тока можно создать, выполнив следующие шаги.
  • Конденсаторы C1, C2 и C3 могут быть заменены при коротком замыкании, поскольку их значения таковы, что Xc игнорируется на частоте сигнала и может быть принято равным нулю Ом.
  • Источник постоянного напряжения следует заменить на землю.
  • Внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения равно нулю Ом, поскольку он поддерживает постоянное напряжение и не зависит от нагрузки. На нем нет выхода переменного напряжения, поэтому он выглядит как короткое замыкание переменного тока. По этой причине источник постоянного тока называется заземлением переменного тока.
  • При анализе переменного тока усилителя с общим эмиттером заземление переменного тока и фактическое заземление работают как электрически соединенные в одной и той же точке.
  • Схема, показанная на первом рисунке, называется усилителем с общим эмиттером, поскольку байпасный конденсатор C2 удерживает эмиттер на земле переменного тока.

Сигнал (переменный ток), напряжение на базе

  • Источник переменного напряжения Vs подключен к входу, показанному на рисунке выше, обозначенному как (b).
  • Если внутреннее сопротивление источника переменного тока равно нулю, все напряжение будет отображаться на клемме базы.
  • Если внутреннее сопротивление не равно нулю, тогда есть 3 фактора, которые будут приняты во внимание при измерении фактического значения напряжения на базе.
  • Первый - это сопротивление истока Rs, второй - сопротивление смещения R1││R2, а третий - входное сопротивление переменному току на выводе базы транзистора Rin (база).
  • Это поясняется на рисунке ниже, обозначенном как (a) и упрощенном путем параллельного соединения сопротивлений R1, R2 и Rin (база) для получения общего сопротивления или Rin (tot), которое является сопротивлением, которое можно увидеть с помощью источника переменного тока, подключенного к входные данные обозначены как (b).
  • Большое значение входного сопротивления необходимо, чтобы усилитель не сильно нагружал источник напряжения.
  • Это противоположно условиям для стабильной точки Q, которая требует меньшего значения сопротивлений.
  • Противоречивое условие для большого входного сопротивления и стабильного смещения является одним из многочисленных компромиссов, которые следует принимать при выборе устройств для схемы.
  • Общее входное сопротивление можно определить по приведенной ниже формуле.

Rin (tot) = R1││R2││Rin (base)

  • Вы можете видеть на приведенном выше рисунке, что источник сигнала Vs разделен между сопротивлением источника и Rs и Rin (tot), поэтому значение источника сигнала может быть рассчитано на базе или транзисторе с использованием формул делителя напряжения, как написано ниже.

Vb = [Rin (tot) / (Rs + Rin (tot))] Vs

  • Если Rs << Rin (tot), то Vb = Vs, здесь Vb - входное напряжение усилителя.

Входное сопротивление у основания

  • Чтобы составить уравнение для входного сопротивления переменного тока, наблюдаемого на базе, используйте базовую модель транзистора с r-параметрами.
  • На рисунке ниже показана модель транзистора с внешним сопротивлением коллектора RC.
  • Значение входного сопротивления на базе задается как.

Rin (база) = Vin / Iin = Vb / Ib

Vb = Ie r’e

As Ie = Ic

Ib = Ie / βac

Установка значений Vb и Ib

Rin (основание) = Vb / Ib = Ier’e / Ieβac

Рин (основание) = βacr’e

Выходное сопротивление

  • Выходное сопротивление усилителя с общим эмиттером - это сопротивление коллектора, которое почти равно сопротивлению коллектора.

Маршрут = RC

  • In Rout = RC││r’c, но поскольку внутреннее сопротивление коллектора переменного тока транзистора r’c больше RC, оценка обычно верна.
Коэффициент усиления по напряжению
  • Уравнение усиления переменного напряжения для усилителя с общим эмиттером может быть создано с использованием модельной схемы, как показано на рисунке ниже.

  • Коэффициент усиления - это отношение переменного напряжения на коллекторе Vc к входному напряжению на базе Vb.

Av = Vout / Vin = Vc / Vb

  • На рисунке видно, что Vc = αacIeRC = IeRC и Vb = Ier’e. так

Av = IeRC / Ier’e

Av = RC / r’e —- (A)

  • Уравнение A - это усиление напряжения от базы до коллектора.
  • Чтобы получить общий коэффициент усиления усилителя от источника напряжения до коллектора, необходимо добавить ослабление входной схемы.
  • Затухание - это уменьшение напряжения сигнала по мере его прохождения через схемы и соответствует значению усиления меньше единицы.
  • Например, если амплитуда сигнала равна половине, затухание будет равно 2, что может быть обозначено как усиление 0,5, поскольку усиление обратно пропорционально затуханию.
  • Предположим, что источник генерирует входной сигнал в десять милливольт, а сопротивление источника в сочетании с сопротивлением нагрузки вызывает два выходных сигнала в милливольтах.
  • В этом состоянии затухание составляет 10 мВ / 2 мВ = 5.
  • Это означает, что входной сигнал уменьшает коэффициент в пять вольт.
  • Его можно определить в терминах усиления как 1/5 = 0.2.
  • Предположим, что усилитель, показанный на рисунке ниже, имеет значение от базы до коллектора Av, а значение затухания от источника до базы дано как Vs / Vb.

  • Это затухание создается сопротивлением источника, и полное входное сопротивление усилителя, работающего как делитель напряжения, можно определить как.

Затухание = Vs / Vb

= [Rs + Rin (tot)] / Rin (tot)

  • Полный коэффициент усиления по напряжению усилителя A’v равен значению коэффициента усиления по напряжению от базы до коллектора VC / Vb, умноженному на величину, обратную затуханию Vb / Vs.

A’v = (Vc / Vb) (Vb / Vs) = Vc / Vs

Влияние конденсатора байпаса эмиттера на напряжение

  • Конденсатор смещения эмиттера, который является C2, показан на первом рисунке, дает короткое замыкание для сигнала переменного тока о сопротивлении эмиттера, которое удерживает эмиттер на земле переменного тока, о чем мы говорили выше.
  • С байпасным конденсатором коэффициент усиления усилителя является экстремальным и равен RC / r’e.
  • Величина байпасного конденсатора должна быть достаточно высокой, чтобы его реактивное сопротивление в диапазоне частот усилителя было очень (почти нулевым) меньше, чем RE.
  • Простое правило состоит в том, что реактивное сопротивление емкости XC байпасного конденсатора должно быть как минимум в десять раз меньше, чем должно функционировать RE при меньшей частоте.
  • 10XC меньше или равно RE

Коэффициент усиления напряжения без байпасного конденсатора

  • Чтобы увидеть влияние байпасного конденсатора на усиление переменного напряжения, давайте исключим его из схемы и сравним коэффициент усиления по напряжению, как показано на рисунке ниже.
  • При отсутствии байпаса эмиттер конденсатора не будет оставаться на земле переменного тока.
  • Вместо этого RE воспринимается сигналом переменного тока между эмиттером и землей и эффективно добавляет r’e к формуле усиления напряжения.

Av = RC / (r’e + RE)

  • RE заключается в уменьшении усиления переменного напряжения.

Влияние нагрузки на прирост напряжения

  • Величина тока, потребляемого выходом транзистора или любой цепью через нагрузочный резистор, когда сопротивление RL подключено к выходу через разделительный конденсатор C3, как показано на рисунке ниже, обозначено как (a).
  • Сопротивление коллектора на частоте сигнала RC подключено параллельно сопротивлению нагрузки RL.
  • Напомним, что верхний конец RC находится на земле переменного тока. Соответствующая цепь переменного тока обозначена буквой b на рисунке ниже.
  • Полное сопротивление коллектора переменного тока будет.

Rc = RCRL / (RC + RL)

  • Подставив RC вместо Rc в уравнении усиления напряжения, мы имеем.

Av = RC / r’e

  • Когда Rc > RC, то Rc = RC-нагрузка на усиление оказывает очень меньшее влияние.

Стабильность усиления напряжения
  • Стабильность - это показатель того, насколько хорошо усилитель сохраняет свои расчетные значения при изменении температуры или в случае различных транзисторов с разным β.
  • Хотя сопротивление байпаса Re не дает максимального значения усиления напряжения, существуют проблемы со стабильностью, поскольку усиление переменного напряжения зависит от r’e как AV = RC / r’e.
  • Стабильность - это показатель того, насколько хорошо усилитель сохраняет свои расчетные значения при изменении температуры или в случае использования другого транзистора с другим β.
  • Хотя сопротивление байпаса Re не дает максимального значения усиления напряжения, существуют проблемы со стабильностью, поскольку усиление переменного напряжения зависит от r’e как AV = RC / r’e.
  • Хотя с сопротивлением RE не пропускается, усиление меньше зависит от r’e.
  • Если RE >> r’e, усиление не обязательно зависит от r’e с момента.

Av = RC / RE

Swamping r’e для стабилизации усиления по напряжению

  • Заболачивание - это процесс, используемый для уменьшения эффекта r’e без снижения напряжения до минимального значения.
  • Swamping фактически является компромиссом между наличием байпасного конденсатора и не имеет байпасного конденсатора.
  • В заблокированном усилителе сопротивление RE частично обходится, так что достигается достаточное усиление, а влияние r’e полностью уменьшается или сводится к минимуму.
  • Общее внешнее сопротивление RE создается двумя отдельными эмиттерными сопротивлениями RE1 и RE2, как показано на рисунке ниже.
  • Одно сопротивление RE2 отключено, второе - нет.
  • Оба сопротивления (RE1 + RE2) влияют на смещение постоянного тока, но RE1 влияют на напряжение переменного тока .

AV = RC / (r’e + RE1)

  • Если RE1 в 10 раз больше, чем r’e, то влияние r’e уменьшается, и приблизительное значение усиления по напряжению равно.

Av = RC / RE1

Влияние затухания на входное сопротивление усилителя

  • Входной резистор переменного тока, наблюдаемый на базе усилителя с общим эмиттером с полностью обойденным RE, будет Rin = Bacr’e
  • Когда сопротивление эмиттера частично обходится, часть сопротивления, которая не обходится, может просматривать сигнал напряжения переменного тока, который вызывает приращение входного сопротивления переменного тока, подключаясь последовательно с r’e.результирующее уравнение Rin (основание) = βAC (r’e + RE1).
Текущая прибыль
  • Уравнение тока от базы до коллектора - Ic / Ib или βAC.
  • В качестве общего коэффициента усиления по току усилителя с общим эмиттером составляет.
  • Ai = IC / Is
  • Это общий входной сигнал, генерируемый источником, его первая часть - это Ib, протекающая через базу, а вторая - это Ibias, проходящий через цепь смещения (R1ІІR2), как показано на схеме ниже.

  • Источник видит полное сопротивление Rs + Rin (tot).
  • Полный ток, генерируемый источником, определяется как.

Is = Vs / (Rs + Rin (tot))

Коэффициент усиления
  • Коэффициент усиления мощности является кратным общему коэффициенту усиления по току и коэффициенту усиления по напряжению.
  • AP = Av ’/ Ai
  • Av ’равно Vc / Vs

Итак, друзья, подробный пост про общий эмиттерный усилитель, если есть вопросы, задавайте в комментариях. Спасибо за чтение.

Автор: Генри
http: // www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби - изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Конфигурации схем транзисторов

и Spice

В недавней публикации мы рассмотрели основы симуляторов схем Spice.В большинстве схемотехнических моделей используются транзисторы либо в виде дискретных компонентов, либо внутри интегральной схемы. Поэтому полезно понять некоторые основы того, как Spice моделирует транзисторы.

Транзисторы могут иметь несколько состояний, обычно насыщение, отсечку, активное и обратное. А у транзисторов есть рабочая точка или точка покоя, которая определяется смещением постоянного тока. Пока рабочая точка находится в определенной рабочей области, транзистор будет работать, как определено в этом конкретном состоянии.Но если рабочая точка переходит в другую область, работа транзистора меняется.

Модели транзисторов

разработаны для определения диапазонов для этих регионов и выбора наилучшей или оптимальной рабочей точки или точки покоя (Q), около которой может поддерживаться работа.

Обычно существует два класса моделей транзисторов. Модели с большим сигналом используются для определения смещения постоянного тока транзистора в зависимости от его конфигурации. Например, биполярные переходные транзисторы (BJT) имеют три синфазных конфигурации:

В общих эмиттерах постоянный ток течет от коллектора к эмиттеру и от базы к эмиттеру.На базу подается сигнал переменного тока, а выходной сигнал снимается с коллектора. В схемах с общей базой постоянный ток течет от коллектора к эмиттеру и от коллектора к базе. Входной сигнал переменного тока подается на эмиттер, а выходной сигнал снимается с коллектора. В схемах с общим коллектором постоянный ток течет от базы к коллектору и от коллектора к эмиттеру. Входной сигнал переменного тока подается на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера.

Общий эмиттер - наиболее часто используемая из трех элементарных конфигураций.Важной характеристикой является то, что он инвертирует выход по отношению к входу, эффект, который устраняется, если имеется четное количество инвертирующих каскадов.

Цепи

с общим эмиттером имеют две общие проблемы, обе из которых могут быть устранены правильным проектированием схемы. Одна из трудностей заключается в том, что в конфигурации с общим эмиттером усилитель может иметь высокий коэффициент усиления, который может быть непредсказуемым из-за производственных изменений, температуры и тока смещения. Автоматическое усиление может позаботиться об изменениях, но вместе с ними транзистор в конфигурации с общим эмиттером может перейти в режим отсечки или колебания, а на выходе может наблюдаться ограничение.

Дополнительные трудности включают низкий динамический диапазон входного сигнала и высокие искажения. Однако с этими проблемами можно столкнуться посредством вырождения эмиттера, намеренно реализованного путем размещения резистора между эмиттером и общим источником сигнала, который часто привязан к земле или к одной из шин питания. (Обычной практикой является повышение стабильности за счет уменьшения усиления.)

Усилитель с общим эмиттером часто имеет низкую полосу пропускания из-за эффекта Миллера, который применим в инвертирующих усилителях.Любая паразитная емкость база-коллектор проявляется как более высокая емкость между базой и землей. Эффект Миллера также можно минимизировать, используя вырождение эмиттера. Еще одна хитрость - уменьшить выходное сопротивление источника сигнала, подключенного к базе.

Обычные излучатели часто используются в качестве малошумящих усилителей в радиосвязи, например, спутниковые антенны для телевидения и доступа в Интернет, медицинские приборы и испытательное оборудование для электроники, которые часто должны работать близко к минимальному уровню шума.

Конфигурация с общим коллектором также называется эмиттерным повторителем. Его часто используют в качестве буфера напряжения. Здесь база подключена к входу, а эмиттер подключен к выходу, будучи привязанным к земле или к одной из шин питания.

Этикетка эмиттерного повторителя связана с тем фактом, что на выходе схемы находится эмиттерный резистор. Следовательно, это устройство часто применяется в качестве схемы согласования импеданса, поскольку его входное сопротивление выше, чем его выходное сопротивление.Вместе с логическими вентилями он широко используется в цифровых схемах.

Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя примерно на 0,6 В ниже базы, транзистор с общим коллектором считается эмиттерным повторителем. Он используется для согласования усиления по току и импеданса, а не для обычного усиления по напряжению. Как и в схеме с общим эмиттером, входное сопротивление значительно превышает выходное сопротивление.

Конфигурация с общей базой часто используется в качестве токового буфера или усилителя напряжения.Вход схемы подается на вывод эмиттера, а коллектор является выходом. Поскольку база подключается к земле, она является общей для входа и выхода. Конфигурация с общей базой используется реже по сравнению с двумя другими конфигурациями из-за ее низкого входного сопротивления и высокого выходного сопротивления, которые обычно нежелательны. Однако это наблюдается в высокочастотных приложениях, потому что основание разделяет вход и выход, сводя к минимуму колебания.

В конфигурации с общей базой нет инверсии фазы между эмиттером и коллектором, поэтому формы входных и выходных сигналов синфазны, а усилитель не инвертирует.Одной из причин ограниченного применения усилителя с общей базой является его низкий входной импеданс. Выход с общей базой может быть высоким, поэтому его называют токовым буфером или токовым повторителем. Обычно усилитель с общей базой имеет коэффициент усиления по току (альфа), близкий к единице. Однако коэффициент усиления по напряжению может составлять от 100 до 2000. Все зависит от резисторов смещения.

Модели малого сигнала используются после определения модели большого сигнала. Когда на транзистор подается слабый сигнал, он перемещает рабочую точку от точки смещения вдоль кривой ВАХ в зависимости от амплитуды приложенного сигнала.Схема обычно настраивается таким образом, чтобы это отклонение от рабочей точки постоянного тока заставляло транзистор изменять свой рабочий режим, например, переходить из активной области в режим отсечки.

Модели слабого сигнала обычно представляют собой двухпортовые конструкции и обычно содержат либо H-параметры, либо гибридную модель pi, либо T-модель. Параметры H (или гибридные) используют параметры Z (или импеданса / разомкнутой цепи), параметры Y (проводимость / короткое замыкание), отношение напряжений и отношения тока для представления отношения между напряжением и током в двухпортовой сети.Параметры H помогают описать характеристики ввода-вывода схем, в которых трудно измерить параметры Z или Y (например, в транзисторе). Модель Hybrid-pi (также называемая Giacoletto) представляет собой BJT, использующий напряжение база-эмиттер слабого сигнала и напряжение коллектор-эмиттер в качестве независимых переменных, а базовый ток слабого сигнала и ток коллектора в качестве зависимых переменных. В моделях T или передачи используются отношения, аналогичные отношениям в гибридных моделях с числом Пи, но обычно они устроены иначе.Преобразование одного параметра типа в другой, как правило, просто с помощью манипуляций с матричной алгеброй.

Типичная модель силового полевого МОП-транзистора, содержащего паразитные элементы. Индуктивности обычно возникают от проводов к корпусу. Паразитные емкости обычно возникают из-за геометрических особенностей самого полупроводника. Анализ транзисторов как с большими, так и с малыми сигналами требует выбора модели, определения известных или фиксированных значений и математического решения уравнений для неизвестных параметров.Однако современные схемы обычно работают на достаточно высоких скоростях, чтобы требовать допуска для паразитных элементов схемы. Правильная программа Spice может повысить точность моделей транзисторов, включая внутренние емкости, сопротивления, вариации усиления и т. Д.

Проблема, однако, в том, что паразитные элементы могут быть плохо определены, особенно для современных транзисторов, таких как силовые устройства на основе GaN или SiC, и тем более при переключении на высоких скоростях. Паразитные индуктивности в силовых устройствах, например, часто возникают в основном из-за проводных соединений между самим полупроводником и его корпусом.Производители устройств продолжают экспериментировать с вариантами упаковки, чтобы уменьшить такие паразитные эффекты, но поскольку эти усилия продолжаются, паразитные модели в Spice могут не отражать значения, наблюдаемые в реальных устройствах. Следовательно, может потребоваться значительное количество экспериментов, чтобы точно охарактеризовать паразитные свойства современных полупроводников.

Усилитель с общим эмиттером

: работа и его характеристики

Схема усилителя

Обычно мы используем различные типы электронных устройств для разработки электронных схем или электронных схем.В некоторых схемах или проектах выходные сигналы будут иметь низкую силу и должны быть усилены для обнаружения или использования выхода. Таким образом, выходной сигнал может быть усилен с помощью схем усилителя, таких как одноступенчатые транзисторные усилители, многокаскадные транзисторные усилители, усилитель с общим эмиттером и так далее. Но что такое схема усилителя?

Схема усилителя

Электронное устройство или схема, которая может использоваться для усиления сигнала (увеличения мощности сигнала), называется схемой электронного усилителя или усилителем.Электронная схема, которую можно использовать для управления и усиления выходного сигнала, чтобы он соответствовал (форме) и был сильнее входного сигнала, называется схемой усилителя. Схемы усилителя можно разделить на различные типы в зависимости от каскадов усилителя, физического размещения, представления входного сигнала (линейного или нелинейного) и т. Д. В первую очередь электронные усилители можно разделить на усилители напряжения, тока, крутизны и сопротивления. Но эти усилители могут быть реализованы с использованием различных топологий транзисторов.Наша цель здесь - подробно обсудить усилитель с общим эмиттером и его работу. Но прежде всего мы должны знать о транзисторных усилителях.

Транзисторные усилители

Электронная схема, которая состоит из транзистора (в качестве основного компонента) вместе с другими схемами и способна увеличивать силу слабого сигнала, называется транзисторным усилителем. Эти транзисторные усилители подразделяются на различные типы, такие как одноступенчатые транзисторные усилители и многокаскадные транзисторные усилители.В одноступенчатых транзисторных усилителях для усиления используется только один транзистор и другая схема, тогда как, соединив вместе однокаскадные транзисторные усилители, можно получить многокаскадный транзисторный усилитель.

Транзисторный усилитель с общим эмиттером

Конфигурация транзисторного усилителя

Наиболее распространенной конфигурацией транзисторного усилителя является транзисторный усилитель с общим эмиттером, который обычно используется в качестве стандартного формата транзисторной схемы, где требуется усиление по напряжению.Схема усилителя с общим эмиттером также называется инвертирующим усилителем. Конфигурации транзисторных усилителей представляют собой транзисторные усилители с общей базой и общим коллектором, как показано на рисунке выше.

Характеристики усилителя с общим эмиттером

В конфигурации усилителя с общим эмиттером клемма базы действует как вход, клемма коллектора действует как выход, а клемма эмиттера действует как общая клемма для выходных и входных клемм. Усилитель с общим эмиттером также называется усилителем с заземленным эмиттером, поскольку эмиттер подключен к земле.Следовательно, эта конфигурация называется конфигурацией с общим эмиттером, а характеристики транзистора с общим эмиттером показаны ниже.

  • Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим эмиттером средний
  • Усилитель на транзисторах с общим эмиттером средний коэффициент усиления по току
  • Высокий коэффициент усиления по мощности схемы усилителя с общим эмиттером
  • Вход / выход имеет фазовое соотношение 180 градусов
  • Входное и выходное сопротивление усилителя с общим эмиттером средние

Характеристики смещения и усиления

На приведенном выше рисунке представлены характеристики смещения в зависимости от усиления усилителя с общим эмиттером.

Рабочий усилитель с общим эмиттером

Схема усилителя с общим эмиттером, показанная на рисунке ниже, состоит из смещения делителя напряжения и используется для подачи напряжения смещения базы транзистора в соответствии с требованиями. Схема смещения делителя напряжения состоит из делителя потенциала с двумя подключенными резисторами, средняя точка которых используется для подачи напряжения смещения базы.

Схема усилителя с общим эмиттером

Усилитель с общим эмиттером состоит из различных электронных компонентов, которые включают в себя резисторы R1, используемые для определения прямого смещения, R2 используется для создания смещения, RL используется для создания выхода, называемого резистором нагрузки коллектора, а RE используется для термостабильности.Конденсатор C1, который называется разделительным конденсатором (включая конденсатор C2, который может быть подключен к выходному выводу), который используется для отделения сигналов переменного тока от напряжения смещения постоянного тока. Как показано на рисунке выше, характеристики транзистора усилителя с общим эмиттером смещения относительно усиления, если R2 увеличивается, то прямое смещение будет увеличиваться, а R1 и смещение обратно пропорциональны друг другу.

Если слабый сигнал (AC) подается на базу транзистора схемы усилителя с общим эмиттером, то начинает течь небольшой базовый ток (AC).Таким образом, через коллектор через Rc будет протекать гораздо больший ток (который равен β-beta, умноженному на ток базы). Напряжение на сопротивлении Rc очень велико, потому что значение резистора Rc очень велико (в диапазоне от 4 до 10 кОм). Таким образом, в цепи коллектора появляется очень большой ток в усиленной форме при приложенном слабом базовом сигнале. Следовательно, транзистор с общим эмиттером действует как схема усилителя.

Коэффициент усиления тока и напряжения усилителя с общим эмиттером

Отношение между током коллектора (изменение тока коллектора) и током базы (изменение тока базы) равно коэффициенту усиления по току, а коэффициент усиления по напряжению определяется как произведение коэффициента усиления по току и отношения выходного сопротивления цепи коллектора к входному сопротивлению. базовой схемы.

Коэффициент усиления по току и напряжению усилителя с общим эмиттером

Усилители с общим эмиттером используются в качестве усилителей напряжения низкой частоты и обычно используются в радиочастотных цепях (радиочастотных цепях).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *