Усилители напряжения на биполярных транзисторах

2.1 Простейший усилитель на биполярном транзисторе,
включенном по схеме с общей базой

Для усилителей на биполярных транзисторах входной переход транзистора всегда включают в прямом направлении, а выходной в ¾ обратном [4]. На рис.2.1 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном с общей базой (ОБ).

Рисунок 2.1 — Схема усилителя по схеме с общей базой

Резистор R_К является нагрузкой транзистора и определяет его усилительные свойства. Если R_К=0, то эффект усиления напряжения не происходит, т.к. _КБ=E_К=const. С увеличением R_К растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на R_К сверху.

Для данной схемы ориентировочные значения коэффициентов усиления можно определить следующим образом:

.

Поскольку для ОБ , , а (т.к. входной переход транзистора включен в проводящем направлении), то получим k_U >>1

Коэффициент усиления по току k_I меньше 1 (ОБ):

, k_I»(0.5¸0.95).

Следовательно, схема с ОБ усиливает напряжение, мощность, но не усиливает ток.

Расчет схемы по постоянному току.

Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: R_К, R_Э, E_К, E_Э и характеристиками транзистора VT. Запишем уравнения Кирхгофа для выходной цепи:

Уравнение (2.1) представляет собой уравнение прямой, которую называют нагрузочной прямой, а уравнение (2.2) представляет семейство выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. На основании определенных критериев может быть выбран тип транзистора, при этом по справочнику определим его выходные и входные характеристики [5].

Для построения нагрузочной линии (2.1) рекомендуют использовать 2 режима:

а) режим холостого хода: I_К =0 тогда из (2.1) получим U_КБ=E_К точка 1 (см. рис. 2.2)

б) режим короткого замыкания: U_КБ =0, следовательно, точка 2 (см. рис. 2.2)

Рисунок 2.2 — Выходные характеристики транзистора с ОБ

Через полученные две точки проведем нагрузочную прямую, и выберем на ней точку покоя, например точку О (Рис. 2.2). Для возможности более полного использования характеристик транзистора точку "О" располагают в центральной области выходных характеристик. Эта точка характеризуется 3 ^Я координатами I_Кп, U_КБп, I_Эп.

Для обеспечения работы усилителя в точке покоя "О" нужно обеспечить входной ток I_Эп. Аналогично выходной цепи опишем входную цепь системой уравнений:

Уравнение 2.3 является нагрузочной прямой по входу, а уравнение 2.4 — входными характеристиками транзистора. Для построения нагрузочной линии используем режимы холостого хода и короткого замыкания:

а) режим ХХ: I_Э =0 Þ U_ЭБ = E_Э;

б) режим КЗ: U_ЭБ =0 Þ .

Положение рабочей точки на нагрузочной прямой можно определить по току I_Эп и по напряжению U_КБп. Координаты рабочей точки определяют напряжение между базой и эмиттером по постоянному току U_ЭБп (см. рис.2.3).

Рисунок 2.3 — Входные характеристики транзистора с ОБ

2.2 Усилитель напряжения на биполярном транзисторе,
включенном по схеме с общим эмиттером

Схема усилителя представлена на рисунке 2.6. Назначения элементов аналогичны представленной ранее схемы.

Рисунок 2.5 — Осциллограммы усилителя на транзисторе с ОБ

Рисунок 2.6 — Принципиальная схема усилителя с ОЭ

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:

– по значению граничной частоты усиления;

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

При проектировании усилителя задаются U_Выхmax, R_Н. Исходя из этого: E_К >2 U_Выхmax; ; ; с учетом того, что R_Н@ (3¸5) R_К, получим , 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. Выбор транзистора производят по значениям параметров I_Кmax, U_КЭmax, P_{Рас.доп}, и f_гр.

Режим работы усилителя по постоянному току описывается системами уравнений.

По выходным характеристикам транзистора, с учетом ограничений (см. рис. 2.7), 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.).

Рисунок 2.7 — Выходные ВАХ транзистора с ОЭ и
предельно-допустимые параметры

Из уравнения (2.5):

Х.Х. I_К =0; U_КЭ = Е_К, (точка 1);

К.З. U_КЭ =0; (точка 2).

При работе усилителя в режиме малых сигналов рабочую точку целесообразно располагать в середине рабочей области характеристик (точка "О"). Она определяется 3 ^Я координатами I_Кп, U_КЭп, I_Бп. Этой точке соответствует точка "О" на входных характеристиках транзистора (см. рис. 2.8), определяемая координатами I_Бп, U_КЭп. Для расчета величины резистора R_Б (по уравнениям (2.7) и (2.8)) установим величину напряжения U_БЭп по рис. 2.8. Поскольку величина этого напряжения порядка (0.4¸0.7) В, то проводить нагрузочную линию по уравнению (2.7) неудобно, т.к. напряжение Е_К порядка (10¸20) В. Записав уравнения (2.7) для точки "О", рассчитаем требуемое значение резистора R_Б:

.

Для маломощных транзисторов значения сопротивлений R_К и R_Б составляют ориентировочно единицы и десятки кОм соответственно.

Рисунок 2.8 — Входные ВАХ транзистора с ОЭ

Расчет по переменному току.

Для расчета по переменному току необходимо:

1) начало координат на характеристиках транзистора перенести в рабочую точку "О" по постоянному току. В рабочей точке определить, для бесконечно малых приращений, параметры транзистора. Наиболее употребительны h – параметры. Принять во внимание, что в окрестности рабочей точки транзистор работает в режиме малых сигналов, и в этом случае к расчету усилителя применим принцип наложения.

2) для переменных составляющих напряжений и токов составить линейную модель усилителя с учетом линейной модели транзистора.

С учетом того, что для переменных составляющих напряжений и токов внутреннее сопротивление источника мало (точки Е_К и –Е_К считают однопотенциальными) и транзистор работает в активной области в режиме малого сигнала, получим следующую линейную электрическую модель усилителя (Рис. 2.9).

Рисунок 2.9 — Схема замещения усилителя с ОЭ

Описав эту модель уравнениями в соответствии с законами электротехники, определяют:

1) Входное сопротивление усилителя, что необходимо для учета согласования усилителя с источником входного сигнала.

2) По выходной цепи усилитель представляют эквивалентным генератором по отношению к сопротивлению нагрузки R_Н. Для этого определяют выходное сопротивление усилителя R_Вых и коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода — k_ХХ.

3) Определяют коэффициенты усиления усилителя по напряжению и току и и их зависимость от частоты для построения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), фазочастотной характеристики (ФЧХ) и амплитудно-фазочастотной характеристики (АФЧХ).

4) Определяют коэффициент нелинейных искажений при заданном значении входного сигнала и коэффициенты частотных искажений и на граничных частотах f_Н и f_В.

При расчете усилителей звуковых частот этот диапазон частот условно разделяют на 3 поддиапазона:

– низкие частоты (10¸300 Гц)

– средние частоты (300¸5000 Гц)

– верхние частоты (5000¸30000 Гц)

Основные параметры усилителя определяют в диапазоне средних частот. При этом выполняются допущения, что сопротивление разделительных конденсаторов в данной области малы по сравнению с R_Вх и R_Н, и ими можно пренебречь, а сопротивление конденсатора С_НS много больше R_Н, и им также можно пренебречь.

,

где С_КЭ — выходная емкость транзистора,

С_Н — емкость нагрузки,

С_М — емкость монтажа.

Как правило, С_НS порядка десятков – сотен пФ.

Дата добавления: 2014-01-04