Усилитель напряжения на биполярном транзисторе включенном по схеме с общим эмиттером.

Схема усилителя представлена на рисунке. Назначения элементов аналогичны представленной ранее схемы.

 

Расчет усилителя по постоянному току.

Режим работы усилителя по постоянному току определяется элементами E_К, R_К, R_Б и параметрами транзистора VT.

Критерии выбора транзистора следующие:

¾ по значению граничной частоты усилителя;

¾ по предельно-допустимым параметрам U_КЭдоп, P_{Рас.доп}, I_Кmax.

При проектировании усилителя задаются U_Выхmax, R_Н. Исходя из этого: E_К>2U_Выхmax ; ; ;

 с учетом того, что R_Н=(3¸5)R_К тогда, , отсюда следует, что I_Кmax»5×I_Нmax. Граничная частота усиления транзистора должна быть в 3¸5 раз выше верхней граничной частоты усиливаемого сигнала f_В.

Режим работы усилителя по постоянному току, описывается системами уравнений.

По выходным характеристикам транзистора, с учетом ограничений (см. Рис. 3.7), выбирают положение нагрузочной линии по постоянному току. Е_К рекомендуют брать порядка (0.8 – 0.9)U_Кэmax. Нагрузочную линию строят по двум точкам (Х.Х. и К.З.)

Из уравнения (1): Х.Х. I_К=0; U_КЭ=Е_К, (точка 1);

К.З. U_КЭ=0; (точка 2).

Выходные ВАХ транзистора с ОЭ и предельно-допустимые параметры.

При работе усилителя в режиме малых сигналов, рабочую точку целесообразно располагать в середине рабочей области характеристик (точка "О"). Она определяется тремя координатами IКп, UКЭп, IБп. Этой точке соответствует точка "О" на входных характеристиках транзистора (см. Рис. 3.8), определяемая координатами IБп, UКЭп.

Входные ВАХ транзистора с ОЭ.

Для расчета величены резистора RБ (по уравнениям (1') и (2') ) установим величину напряжения UБЭп по Рис. 3.8. Поскольку величина этого напряжения порядка (0.4¸0.7) В, то проводить нагрузочную линию по уравнению (1') неудобно, т.к. напряжение ЕК порядка (10¸20) В. записав уравнения (1') для точки "О" рассчитаем требуемое значение резистора RБ:

Для маломощных транзисторов значения сопротивлений RК и RБ составляют ориентировочно единицы и десятки кОм соответственно.

Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Расчет схемы по постоянному току.

Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: RЭ, RБ, EК и параметрами транзистора. Аналогично, как и для схемы с общим эмиттером, выходную и входную цепи можно описать следующими системами уравнений:

 

 

 

Т. к. IЭ=IК+IБ, а IБ<<IК, то уравнение (1) можно записать в виде: .

Как и для схемы с ОЭ (см. Рис. 3.15) построим нагрузочную линию (1) соответствующую 1Й системе:

 

выбираем точку покоя "О", и определяем значения сопротивлений RЭ и RБ

RЭ =Ek/Iкз :                                    RБ=(Ек- RЭ*(Iбп+Iкп)-Uбп)/Iбп

Графический расчет схем на транзисторах

 

Усилитель на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком.

В данной схеме Rи, Rз и Си образуют цепочку автоматического смещения. На R И происходит падение напряжения обусловленное током стока, которое передается на затвор через резистор RЗ, и определяет положение рабочей точки, т.е. режим работы транзистора по постоянному току. СИ шунтирует RИ в режиме переменного тока, не нарушая тем самым положение точки покоя, определенное в режиме по постоянному току.

Расчет по постоянному току.

Выходную цепь усилителя можно описать системой уравнений:

Eси=Ic*(Rc+Rи)+Ucи

Uси=ϕ*(Ic.Uзи)

Первое уравнение представляет собой уравнение нагрузочной прямой, а второе – выходные характеристики транзистора. Графоаналитическое решение этой системы представлено на рис.

Выходные характеристики полевого транзистора

Также как и для усилителя на биполярном транзисторе, в режимах ХХ и КЗ, определяют крайние точки нагрузочной прямой.

Режим ХХ: Þ .

Режим КЗ: Þ , при известных R_С и R_И.

При проектировании каскада проводят нагрузочную линию соответствующим образом и зная I_КЗ определяют суммарное сопротивление R_С+R_И :

.

За счет тока I_С создается падение напряжения на R_И, "+" этого напряжения подается на затвор через резистор R_З (см. Рис. 4.1), "-" приложен к источнику, что и обуславливает напряжение смещения. Следовательно, потеря напряжения на R_И должна обеспечивать напряжение U_ЗИП:

.

Емкость С_И выбирается из условия, чтобы при подаче входного переменного сигнала выполнялось неравенство:

,

где w_min – минимальная частота усиливаемого входного сигнала.

Так как напряжение смещения передается на затвор через резистор R_З, то зная I_З(оговаривается в справочнике) можно определить максимальное значение R_З, при котором I_З×R_З<<U_СМ. Для полевых транзисторов с p-n переходом R_Зmax порядка 1 МОм.

Полевые транзисторы, так же как и биполярные, имеют три схемы включения. В соответствии с названиями электродов различают каскады с общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ). Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение. Поэтому ниже рассматриваются только каскады ОС и ОИ.

Схема усилительного каскада ОИ приведена на рисунке 3.9. Каскад выполнен на МОП-транзисторе со встроенным каналом п-типа, работа которого возможна как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.

Рисунок 3.9 - Схема усилительного каскада с общим истоком

Основными элементами каскада являются источник питания +Е_с, транзистор Т и резистор R_c. Нагрузка подключена через разделительный конденсатор С_р2к стоку транзистора. Элементы R_З, R_l, R_и предназначены для задания U_зип в режиме покоя. Резистор R_и создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора. Конденсатор С_и предназначен для исключения отрицательной обратной связи по переменному току. Разделительный конденсатор С_р1 обеспечивает связь каскада с источником входного сигнала.

Принцип выбора режима покоя тот же, что и для схемы на биполярном транзисторе (рисунок 3.10). Соотношения (3.4) и (3.5), используемые при выборе режима покоя, здесь можно записать в следующем виде:

U_сип> U_{вых m} ΔU_си,

I_сп > I_сm.

Точка покоя П размещается на линии нагрузки по постоянному току, которая проходит через точки а и б (см. рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 - Графическое определение режима покоя каскада ОИ на выходных характеристиках транзистора

Для точки а: I_c = 0, U_си = + Е_c, для точки б: U_си = 0, I_с = E_c / (R_c + R_и). Линия нагрузки по переменному току определяется сопротивлением R_и~= R_c║R_и. В многокаскадных усилителях нагрузкой каскада является входная цепь последующего каскада, обладающая достаточно высоким входным сопротивлением R_вх. В таких случаях нагрузка каскада по переменному току в значительной степени определяется сопротивлением R_c, выбираемого, по меньшей мере, на порядок меньше R_вх. По этой причине для каскадов предварительного усиления наклон линии нагрузки по переменному току (прямая в - г) незначительно отличается от линии нагрузки по постоянному току и в ряде случаев их учитывают одной прямой а - б.

Рассмотрим режим покоя в каскаде (задание величин U_сип и I_сп). Ток стока покоя I_сп и напряжение сток - исток покоя U_сип связаны соотношением:

U_сип = E_сп - I_сп (R_c + R_и)

и определяются напряжением затвор - исток транзистора U_зип, соответствующим точке покоя. Напряжение U_зип представляет собой параметр стоковой характеристики, проходящей через точку покоя П (см. рисунок 3.10). Как известно, полевой транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения канала носителями заряда, так и в режиме обеднения. Поэтому полному диапазону выходных характеристик этого транзистора соответствует напряжение затвор - исток, изменяемое не только по величине, но и по знаку (см. рисунок 2.25, б). По указанной причине в режиме покоя напряжение на затворе может иметь как положительную, так и отрицательную полярность относительно истока и даже быть равным нулю.

Рассмотрим случай, когда U_зип < 0. Поскольку он является к тому же типичным для каскада ОИ на полевом транзисторе с р-п-переходом, излагаемый ниже принцип задания требуемого режима покоя целиком переносится и на указанный каскад.

Элементами, предназначенными для создания напряжения U_зип < 0 в режиме покоя, являются только резисторы R_и и R_З (см. рисунок 3.9), резистор R₁ не нужен. Необходимые величины и полярность напряжения получаются на резисторе R_и в результате протекания через него тока I_ип = I_сп. В связи с этим выбор R_и производят по величине R_и = U_зип / I_сп. Резистор R₃ предназначен для обеспечения потенциала затвора равным потенциалу нижнего вывода резистора R_и, т. е. для подачи напряжения U_зип с резистора R_и между затвором и истоком транзистора. Сопротивление R₃выбирают на несколько порядков меньше входного сопротивления транзистора. Это необходимо для исключения влияния температурной нестабильности и разброса значения входного сопротивления транзисторов на величину входного сопротивления каскада. Значение R₃ принимают равным 1…2 Мом.

 

 

Помимо обеспечения требуемого напряжения U_зип резистор R_и создает отрицательную обратную связь в каскаде, препятствующую изменению тока I_сп под действием температуры и разброса параметров транзистора. Тем самым функция резистора R_и сводится также к стабилизации режима покоя каскада. С целью повышения стабильности часто идут на увеличение R_и сверх значения, нужного для обеспечения напряжения U_зип. Требуемая при этом компенсация избыточного напряжения U_ип осуществляется подачей на затвор соответствующего напряжения U_зп путем включения в схему резистора R₁. Из условия указанной компенсации получаем соотношение, которое может быть использовано для расчета сопротивления R₁:

	(3.18)
	(3.19)

Величину U_ип определяют с учетом выбора напряжения питания:

Eс = Uсип + Uип + Iсп Rс.

(3.20)

Величина R_с оказывает влияние на частотные свойства каскада, ее рассчитывают, исходя из верхней частоты диапазона. С точки зрения расширения частотного диапазона, сопротивление R_c желательно уменьшать. Приняв величину внутреннего сопротивления транзистора r_i, получим оценку возможных значений R_c: R_c = (0,05…0,15) r_i.

Относительно напряжения U_ип можно высказать те же соображения, что и для напряжения U_эп в каскаде ОЭ: повышение напряжения U_ип благоприятно сказывается на стабильности точки покоя вследствие увеличения сопротивления R_и, однако при этом возрастает требуемое напряжение источника питания Е_с. В связи с вышеизложенным напряжение U_ип выбирают порядка (0,1…0,3) Е_с.

По аналогии с выражением (3.4) имеем:

.

(3.21)

При U_зип ≥ 0 необходимость включения резистора R_и диктуется требованием стабилизации режима покоя. Включение резистора R₁ здесь обязательно. Выбор элементов производится с использованием выраений (3.18) - (3.21). При этом в выражениях (3.18), (3.19) следует соответственно либо положить напряжение U_зип равным нулю, либо изменить знак перед напряжением U_зип. Режим U_зип > 0 является типичным для полевых транзисторов с индуцированным каналом. Поэтому с учетом изменения знака перед U_зип соотношения (3.18), (3.19) используют для расчета цепей смещения каскада ОИ на этих транзисторах.

Выбор типа транзистора производят с учетом тех же данных, что и в каскаде ОЭ. Учитывают максимальный ток стока I_{с max}, максимальное напряжение U_cиmax и максимальную рассеиваемую мощность в транзисторе
Р_{р mах} (см. рисунок 3.10).

Каскад ОИ, так же как и схема ОЭ на биполярном транзисторе, осуществляет поворот по фазе на 180° усиливаемого сигнала. Поступление на вход, например, положительной полуволны напряжения (см. рисунок 3.10) вызывает увеличение тока стока, повышение напряжения на резисторе и уменьшение напряжения стока. На выходе будет выделена полуволна напряжения отрицательной полярности.

Проведем анализ каскада по переменному току. Поскольку паразитные емкости каскада определяются межэлектродными емкостями полевого транзистора и зависят от схемы включения, анализ каскада будем проводить по полной схеме замещения транзистора, учитывающей и межэлектродные емкости. Схема замещения каскада ОИ показана на рисунке 3.11, а.

 

Рисунок 3.11 - Схема замещения каскада ОИ с источником тока и источником напряжения

Схема замещения основана на использовании источника тока SU_вх в выходной цепи. Сопротивления R_c, R_н, включенные параллельно в выходной цепи, определяют сопротивление нагрузки R_н = R_c║R_н. Сопротивления R₃, R₁ в схеме замещения каскада ОИ также включены параллельно. Поскольку входное сопротивление каскада, как правило, существенно больше R_Г, входное

напряжение каскада принимают равным Е_Г. Емкости разделительных конденсаторов С_р1, С_р2 и конденсатора С_и достаточно велики и их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому на схеме замещения эти конденсаторы, как и блокированный конденсатором С_и резистор R_и, не показаны.

Выражение для коэффициента усиления каскада по напряжению для средних частот, когда сопротивления оставшихся в схеме замещения конденсаторов еще достаточно велики, записывается в виде:

или

.

(3.22)

Произведение S r_i называют статическим коэффициентом усиления μ полевого транзистора. С учетом соотношения S r_i = μ формула (3.22) принимает вид:

^.

Возможен второй вариант построения схемы замещения каскада ОИ - с источником напряжения μ U_вх (рисунок 3.11, б).

Если схема ОИ является каскадом предварительного усиления в многокаскадном усилителе, то R_н = R_c║R_вх R_c. Если учесть к тому же, что R_c << r_i, то коэффициент усиления каскада по напряжению

K_u ≈ S R_c.

Входное сопротивление каскада ОИ определяется параллельно соединенными сопротивлениями R₁ и R_з:

R_вх = R₁║R_з.

Выходное сопротивление каскада ОИ определяется выражением:

R_вых = R_с║r_i ≈ R_с.

При переходе в область высоких частот необходимо учитывать входную и выходную емкости каскада.

При расчете входной емкости должны быть учтены межэлектродные емкости С_зи, С_зс транзистора (см. рисунок 3.11, а), а также емкость монтажа входной цепи С_м (емкость деталей и проводов входной цепи каскада по отношению к шине "-" источника питания). Указанные емкости создают на высоких частотах реактивные составляющие токов входной цепи, определяющие суммарный входной ток каскада:

i_свх = i_сзи + i_сзс + i_см.

Токи i_сзс , i_см определяются входным напряжением U_вх каскада, а ток i_сзс - напряжением сток - затвор. Поскольку напряжение на стоке находится в противофазе с входным напряжением, напряжение между затвором и стоком будет равно .

С учетом указанного определяем емкостный входной ток каскада

i_свх = j ω C_зи U_вх + j ω C_зс (1 + К_u ) U_вх + j ω C_м U_вх,

или

i_свх = j ω U_вх [C_зи + (1 + К_u ) C_зс + C_м] = j ω C_вх U_вх,

где С_вх - входная емкость каскада, равная

Свх = Cзи + (1 + Кu ) Cзс + Cм.

(3.23)

Если принять для примера С_зи = 10 пФ, С_зс = 2 пФ, С_м = 2 пФ и К_u = 50, то входная емкость составит 114 пФ, причем определяющим будет второе слагаемое в выражении (3.23).

Выходная емкость каскада зависит от межэлектродных емкостей участков сток–исток и сток–затвор, а также емкости монтажа выходной цепи.

Расчет выходной емкости производят по той же методике, что и расчет входной емкости:

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 1239; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!