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

81574. Саркоплазматические белки: миоглобин, его строение и функции. Экстрактивные вещества мышц 122.6 KB
  Концентрация адениновых нуклеотидов в скелетной мускулатуре кролика в микромолях на 1 г сырой массы ткани составляет: АТФ 443 АДФ 081АМФ 093. в мышечной ткани по сравнению с концентрациейадениновых нуклеотидов очень мало. К азотистым веществам мышечной ткани принадлежат имидазолсодержащие дипептиды карнозин и ансерин.; метилированное производное карнозина ансерин был обнаружен в мышечной ткани несколько позже.
81575. Особенности энергетического обмена в мышцах. Креатинфосфат 126.43 KB
  Принято считать что процессом непосредственно связанным с работающим механизмом поперечнополосатого мышечного волокна является распад АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата. Возникает вопрос: каким образом мышечная клетка может обеспечить свой сократительный аппарат достаточным количеством энергии в форме АТФ т. каким образом в процессе мышечной деятельности происходит непрерывный ресинтез этого соединения Прежде всего ресинтез АТФ обеспечивается трансфосфорилированием АДФ с креатинфосфатом. Данная реакция...
81576. Биохимические изменения при мышечных дистрофиях и денервации мышц. Креатинурия 106.28 KB
  Общими для большинства заболеваний мышц прогрессирующие мышечные дистрофии атрофия мышц в результате их денервации тенотомия полимиозит некоторые авитаминозы и т. являются резкое снижение в мышцах содержания миофибриллярных белков возрастание концентрации белков стромы и некоторых саркоплазматических белков в том числе миоальбумина. Наряду с изменениями фракционного состава мышечных белков при поражениях мышц наблюдается снижение уровня АТФ и креатинфосфата.
81577. Химический состав нервной ткани. Миелиновые мембраны: особенности состава и структуры 152.07 KB
  Данилевский впервые разделил белки мозговой ткани на растворимые в воде и солевых растворах белки и нерастворимые белки. которые разделили белки нервной ткани на 4 фракции: извлекаемые водой 45 раствором КСl 01 раствором NOH и нерастворимый остаток. В настоящее время сочетая методы экстракции буферными растворами хроматографии на колонках с ДЭАЭцеллюлозой и дискэлектрофореза в полиакриламидном геле удалось выделить из ткани мозга около 100 различных растворимых белковых фракций.
81578. Энергетический обмен в нервной ткани. Значение аэробного распада глюкозы 129.8 KB
  На долю головного мозга приходится 23 от массы тела. Следовательно 100 г мозга потребляет в 1 мин 37 мл кислорода а весь головной мозг 1500 г 555 млкислорода. Газообмен мозга значительно выше чем газообмен других тканей в частности он превышает газообмен мышечной ткани почти в 20 раз. Интенсивность дыхания для различных областей головного мозга неодинакова.
81579. Биохимия возникновения и проведения нервного импульса. Молекулярные механизмы синаптической передачи 109.17 KB
  Молекулярные механизмы синаптической передачи Большинство исследователей придерживаются мнения что явления электрической поляризации клетки обусловлены неравномерным распределением ионов К и Nпо обе стороны клеточной мембраны. Мембрана обладает избирательной проницаемостью: большей для ионов К и значительно меньшей для ионов N. При определенных условиях резко повышается проницаемость мембраны для ионов N. Объясняется это тем что количество ионов N выкачиваемых из клетки с помощью натриевого насоса не вполне точно уравновешивается...
81580. Медиаторы: ацетилхолин, катехоламины, серотонин, γ-аминомаслянная кислота, глутаминовая кислота, глицин, гистамин 107.74 KB
  γАминомасляная кислота выполняет в организме функцию ингибирующего медиатора центральной нервной системы. Действие ГАМК в ЦНС осуществляется путём её взаимодействия со специфическими ГАМКергическими рецепторам Глутаминовая кислота является нейромедиаторной аминокислотой одним из важных представителей класса возбуждающих аминокислот. Эндогенные лиганды глутаминатных рецепторов глутаминовая кислота и аспарагиновая кислота.
81581. Нарушения обмена биогенных аминов при психических заболеваниях. Предшественники катехоламинов и ингибиторы моноаминооксидазы в лечении депрессивных состояний 108.33 KB
  Предшественники катехоламинов и ингибиторы моноаминооксидазы в лечении депрессивных состояний. Например резерпин понижающее артериальное давление средство специфически тормозит процесс переноса катехоламинов в специальные гранулы нейронов и тем самым делает эти амины доступными действию эндогенной МАО. Многие антидепрессанты вещества снимающие депрессию увеличивают содержание катехоламинов в синаптической щели т. К таким веществам в частности относятся имипрамин блокирует поглощение норадреналина нервными волокнами амфетамин...
81582. Физиологически активные пептиды мозга 109.08 KB
  Нейропептиды осуществляют контроль за экспрессией вторичных клеточных мессенджеров, цитокинов и других сигнальных молекул, а также за запуском генетических программ апоптоза, антиапоптозной защиты, усиления нейротрофического обеспечения. Такие регуляторные (модуляторные) влияния устраняют общую дезинтеграцию во взаимодействии сложных и часто разнонаправленных молекулярно-биохимических механизмов