22369

УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ (БТ)

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Характеристики схемы: статические и динамические. Простейшая модель работы транзистора рис. Надо помнить что для всех БТ Рис. Поэтому при проектировании схем надо стремиться к тому чтобы ее характеристики не зависели от величины β.

Русский

2013-08-04

442 KB

43 чел.

Лекция 5  ДОБАВИТЬ ПРОХ ДИН ХАР-КУ с.254

Содержание лекции

Усилители на биполярных транзисторах (БТ). Простейшая модель работы транзистора. Режимы работы транзистора. Ключевой режим работы транзистора. Схема усилителя с общим эмиттером. Характеристики схемы: статические и динамические.  Выбор рабочей точки в схеме. Схемы эмиттерной и коллекторной термостабилизации.

5. УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ (БТ)

5.1. Простейшая модель работы транзистора (рис.5.1)

Рассматриваем транзистор n-p-n. Для транзистора типа p-n-p все правила сохраняются, однако полярность источников питания противоположная.

При работе БТ должны выполняться следующие правила:

1.Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер, т.е. UK>UЭ.

2.Цепи Б-Э и Б-К работают как диоды. Обычно переход Б-Э смещен в прямом, а Б-К - в обратном направлении.

Падение  напряжения на открытом переходе  Б – Э составляет:

-для кремниевого транзистора

-для германиевого транзистора

3. Каждый БТ характеризуется максимально допустимыми значениями  IБMAX, IKMAX, UK—ЭMAX. Надо помнить, что для всех БТ

Рис.5.1 – Транзистор типа n-p-n  – простейшая модель

 

существуют предельные значения по температуре, рассеиваемой мощности, напряжению UБЭ   и другим параметрам. Как правило, превышение этих значений приводит к порче БТ.

Если правила 1-3 соблюдены, то работает следующее     соотношение:    

Замечание. Параметр  β для различных транзисторов одного типа может изменяться от 20 до 250. Кроме того, он зависит от IK, UК—Э, to. Поэтому при проектировании схем надо стремиться к тому, чтобы ее характеристики не зависели от величины  β.

5.2. Ключевой режим работы транзистора

Транзисторный переключатель.

Рассмотрим схему (рис. 5.2).

Рис. 5.2 – Транзисторный переключатель

а) При разомкнутом ключе  

и тогда    (правило 4).

б) Замкнут ключ: при этом                    

Если мы применим просто правило 4, то

и      

Отсюда следует, что потенциал коллектора должен быть меньше потенциала эмиттера, т.е. меньше потенциала “земли”, а это неверно (не выполнено правило 1). Ведь при                                                  

В ключевом режиме Iб    принимается в несколько раз большим, чем нужно в соответствии с правилом 4 и тогда схема не будет чувствительна (критична) к изменению  β.

5.3. Режимы работы транзистора

Активный режим - это основной режим работы БТ. Эмиттерный переход смещен - в прямом, а коллекторный - в обратном направлении.

Режим отсечки - БТ оказывается запертым. К обоим переходам подано обратное напряжение.

Режим насыщения - БТ полностью открыт. Ток в выходной цепи БТ максимален и практически не регулируется током входной цепи.

Инверсный режим - к эмиттерному переходу подведено обратное смещение, а к коллекторному переходу - прямое смещение, т.е. эмиттер и коллектор меняются местами. Обычно при этом БТ выходит из строя.  При проектировании схем обычно задают режим покоя транзистора - смещение. Для задания режима покоя необходимо зафиксировать либо , либо . Рассмотрим две схемы (рисунки 5.3 и 5.4).

               

Рис.5.3 – Влияние смещения на выходной сигнал. Подача входного сигнала на схему с ОЭ без разделительного конденсатора

Рис.5.4 – Влияние смещения на выходной сигнал. Подача входного сигнала на схему с ОЭ через разделительный  конденсатор

Выходной сигнал для схемы на рис. 5.3 приведен на рис. 5.5. Теперь добавим только разделительный конденсатор С (рис.5.4), но результат совершено другой (рис.5.6). Т.к. напряжение смещения равно нулю (предполагаем, что идеальный источник напряжения входного сигнала), то усиливаем только положительную полуволну входного сигнала (если напряжение на базе меньше нуля, то транзистор VT1 закрыт).

Рис.5.5.Диаграммы напряжений для рис.5.3                  Рис.5.6.Диаграммы напряжений для рис.5.4

5.6. Схема усилителя с общим эмиттером (рис.5.7)

Напряжение на коллекторе

       (5.1)

Рисунок 5.7 – Схема  усилителя

с общим эмиттером

Различают статические и динамические характеристики транзистора.

Статические характеристики

Используют два семейства статических характеристик: входные и выходные (рисунки 5.8 и 5.9).

 

Рисунок 5.8 - Входные характеристики при UКЭ=const 

Рисунок 5.9 - Выходные характеристики при   IБ=const

Iб4>Iб3>Iб2>Iб1, CD-динамическая характеристика

Динамические характеристики

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим. В схеме на рис. 5.7  RК – сопротивление нагрузки. Это сопротивление является источником усиливаемого сигнала. В динамическом режиме напряжения и токи изменяются на всех элементах схемы непрерывно.

Уравнение (5.1) – это уравнение динамического режима для выходной цепи. Это уравнение прямой, которую построим на выходных статических характеристиках транзистора (рис.5.9). Прямую CD строим по двум точкам, соответствующим двум режимам работы транзистора:

- Режим отсечки       -  IK=0 и  тогда  UКЭК;

- Режим насыщения -  UКЭ=0, а ток  IK = EK/RK.

Прямая CD является нагрузочной характеристикой по постоянному току – это возможные состояния транзистора.                                                                               

Если мы хотим работать в режиме усиления с наименьшими нелинейными искажениями, то рабочая точка выбирается посредине СD.

У каскада с ОЭ происходит инвертирование входного сигнала. Докажем это.

.

Если увеличивается входной сигнал, то, соответственно, возрастает б и, значит, IKO и IKORK. Но если возрастает IKORK, то UКЭ падает. Поэтому каскад с ОЭ является инвертирующим.

Входная динамическая характеристика.

Для ее построения необходимо для каждого напряжения на коллекторе определить по выходной динамической характеристике соответствующий ток базы  Iб. Затем нанести их на входных характеристиках и соединить полученные точки между собой (рис.5.8).

Выбор рабочей точки в схеме. 

Выбор рабочей точки - это задание режима покоя транзистора. Входные сигналы при этом отсутствуют. Для задания режима покоя необходимо зафиксировать либо  IБО, либо UБО. Это можно осуществить подачей дополнительного напряжения смещения между базой и эмиттером, либо с помощью схем, фиксирующих IБО.

Для задания режима покоя используют так называемые схемы смещения. Различают две основные схемы.

Схема смещения фиксированным током базы IБО (рис.5.10).

Основное расчетное соотношение для данной схемы:

.                       

Рисунок 5.10– Схема смещения фиксированным током базы

т.е. в данной схеме IБ будет определяться фиксированными значениями UП   и RБ.

При изменении  t0   изменяется  IK, т.е. схема не стабилизирует ток IK.

Разделительный конденсатор СР предназначен для того, чтобы постоянная составляющая с выхода предыдущего каскада не попала на базу VT1, что  привело бы к изменению режима покоя каскада.

Разделительный конденсатор должен пропускать все составляющие входного сигнала, которые выше нижней граничной частоты fН, т.е. на нижней частоте входного сигнала:

XCp<RВХОЭ       или    .

Отсюда    ,

где RВХОЭ –входное сопротивление схемы с общим эмиттером.

Емкость  СР   достаточно  велика.

Схема смещения фиксированным напряжением Б-Э (рис.5.11)

Рис.5.11 – Схема смещения фиксированным напряжением  Б-Э

В схеме с фиксированным током базы параметры сильно зависят от величины . В этой  схеме все более стабильно. Чтобы IБ не влиял на падение напряжения на R2, ток IД  должен быть больше тока IБ. Обычно IД=(5-10)IБ.

Термостабилизация рабочей точки в схеме с ОЭ.

При возрастании температуры окружающей среды увеличивается ток IK. Это приводит к изменению положения рабочей точки.

Пусть  t0 возросла, тогда вырос IK , значит   IКRK тоже увеличилось и U=UП-IKRK уменьшилось, т.е. рабочая точка ушла, изменился режим покоя.

Для устранения этого изменения используют схемы термостабилизации. Различают схемы эмиттерной стабилизации, коллекторной стабилизации и комбинированную схему термостабилизации.

Схема эмиттерной термостабилизации (рис.5.12)

 Рис. 5.12 – Схема эмиттерной термостабилизации

Основные расчетные соотношения:

UБО=UБЭО+UЭО

(UБЭО=UБО-UЭО)

Принцип  действия схемы: Если t0 возрастает, то возрастает IKO, а значит и  IЭ, т.к. IЭ  IK ; UЭ=IЭRЭ и значит UЭ возрастает, а это приводит к   уменьшению UБЭ, т.е. VT подзапирается и IKO падает.


При подаче  входного напряжения U
ВХ токи IK и IЭ будут изменяться в соответствии с изменением UВХ. Это приведет к изменению UБЭ, что изменит коэффициент усиления каскада, т.к. образуется ООС по переменному току. Для ее устранения параллельно RЭ подключается блокировочный конденсатор СЭ. Его величину выбирают такой, чтобы реактивное сопротивление было минимальным для всех переменных составляющих сигнала, т.е. они все замкнутся на корпус. Это устранит ООС по переменному току. CЭ выбирается аналогично СР.

Схема коллекторной термостабилизации (рис. 5.13).

Рис.5.13-Схема коллекторной термостабилизации

Основные расчетные соотношения:

Принцип действия схемы.

При возрастании температуры возрастает ток IКО, напряжение UКЭО падает, а, значит, уменьшается ток IБО и, следовательно, ток IКО.

В каскаде образована параллельная ООС и схема имеет за счет этого невысокое входное сопротивление. В этой схеме есть также ООС по переменному току.

Чаще применяется схема эмиттерной термостабилизации.

Это схема каскада с параллельной  ОС по напряжению.

Можно установить, что:

при  R1=0 и 1/C=0   - ОС не действует,

при  RK       - ОС не действует, т.е.

ОС не проявляется в режиме КЗ как на входе, так и на выходе.

ОС по напряжению - это параллельная  ОС.

Особенностью ОС по напряжению является наличие узлов1 и 2.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Поясните назначение разделительного конденсатора в схемах термостабилизации.
  2.  Какие схемы подачи смещения вы знаете?
  3.  Какие схемы термостабилизации вы знаете?
  4.  Какой параметр стабилизируют с помощью схем (рис.5.12 и 5.13) и почему?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8528. Цінності та перспективи християнської моралі 20.98 KB
  Тема уроку: Цінності та перспективи християнської моралі (11-кл.) Мета уроку: Н: Ознайомити учнів з основними поняттями мораль, християнська мораль, визначити їхню важливість та перспективи в сучасному світі Р: Сприяти розвитку пізнавального інтере...
8529. Державний лад. Форми правління. Урок 53.61 KB
  Тема уроку. Державний лад. Форми правління. Мета уроку: ознайомити учнів з основними аспектами питання про державний лад та форми правління розвивати в учнів здатність застосовувати отримані знання на практиці виховувати в ліцеїстів...
8530. Початок Української революції. Утворення Центральної Ради 58 KB
  Початок Української революції. Утворення Центральної Ради. Мета: зясувати причини, мету, програму діяльності Центральної ради, розглянути перший етап Української революції та його особливості, розвивати навички аналізу історичних фактів, вмін...
8532. Философия науки неопозитивизма: основные концепции 23.06 KB
  Философия науки неопозитивизма: основные концепции Третий этап позитивизма: неопозитивизм. (40-е гг. 20 в.) Основные представители: Шлик, Нейрат, Карнар, Айер. Главная задача философии неопозитивизма - это анализ языка науки, поэтому этот этап ...
8533. Постпозитивизм. проблема демаркации эмпирических и теоретических наук 19.63 KB
  Постпозитивизм. проблема демаркации эмпирических и теоретических наук Позитивизм - направление в науке и философии, исходящее из позитивного, т. е. из данного, устойчивого, фактического, несомненного, и ограничивает им свое изложение и исслед...
8534. Бытие как философская категория: основные формы и диалектика бытия 21.33 KB
  Бытие как философская категория: основные формы и диалектика бытия Бытие —- это философская категория, обозначающая независимое от сознания существование объективной реальности - космоса, природы, человека. Впервые понятие...
8535. История развития философского понятия материя 20.26 KB
  История развития философского понятия материя Уже в древности философы пытались представить видимое многообразие вещей как проявление видимого начала. Это общее, несотворимая и неуничтожимая основа всех вещей получила название субстанции. Формирован...
8536. Движение как коренное свойство материи 14.71 KB
  Движение как коренное свойство материи Материя обладает неотъемлемыми свойствами - атрибутами, главными из которых являются движение, пространственно временная определенность и отражение. Структурность материи, существование в ней определенного типа...