Коэффициент усиления схемы с общим эмиттером

Онлайн калькулятор номиналов элементов различных модификаций схем ОЭ,
выполненных на биполярных транзисторах.

Вооружившись знаниями, полученными на предыдущей странице, давайте перейдём к конкретным схемам. А начнём мы со схемы наиболее распространённого усилительного каскада, использующего включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Название схемы "с общим эмиттером" означает, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи. При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера, а выходными величинами являются коллекторный ток и напряжение на коллекторе относительно эмиттера.
При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.
Основным плюсом включения транзистора по схеме усилителя с общим эмиттером (ОЭ) является способность получать наибольшее усиление по мощности, в связи со свойством такого каскада усиливать как ток, так и напряжение.

Начнём с простейшей схемы усилительного каскада с общим эмиттером, представленной на Рис.1. Данный каскад содержит минимальное количество элементов, однако обладает существенным недостатком в виде малой эффективности термостабилизации.

Рис.1

Собственно говоря, и характеристики у данной схемы очень схожи с теми, что мы рассматривали на предыдущей странице:

R_вх = [r_э x (1 + β)] ll R_б1 ;
I_б = (Е_к — U_бэ)/R_б1 , где Uбэ = 0,6. 0,7В для кремниевого транзистора и 0,3. 0,4 — для германиевого;
I_к = I_б x β ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / r_э .

Более высокую термостабильность имеет каскад с ОЭ, схема которого приведена на Рис.2.
Термостабилизация в этой схеме осуществляется за счёт отрицательной обратной связи, введённой в каскад посредством включения Rб1 между базой и коллектором транзистора.
По большому счёту наличие ООС существенно влияет практически на все характеристики каскада, причём тем сильнее, чем выше глубина этой ОС. Глубина же этой ОС напрямую зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала.

Рис.2

Ну а поскольку мы здесь рассматриваем упрощённый и сугубо частный случай, когда Rист > Rвых, то и мудрить особо не будем:

R_вх ≈ [r_э x (1 + β)] ll (R_б1 + R_к) ;
I_б = (U_к — U_бэ)/R_б1 ;
I_к = I_б x β ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых ≈ R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / r_э .

В большинстве случаев наилучшими свойствами среди базовых схем ОЭ обладает эмиттерная схема термостабилизации, приведённая на Рис.3.
Эффект термостабилизации достигается фиксацией напряжения на базе посредством резистивного делителя (Rб1 и Rб2) и введением ООС по постоянному току посредством включения резистора Rэ1.
На переменном токе эта ООС нейтрализуется шунтированием резистора Rэ1 конденсатором Сэ.

Рис.3

R_вх = [r_э x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2 (по перем. току);
I_б = (U_б — U_бэ)/[(R_э1 + r_э) x (1 + β)] , где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1
и Rб2 , I_делит = (3. 10)I_б ;
I_к = I_б x β ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / r_э ;
Rэ1 следует выбрать такого номинала, чтобы получить —
U_э = (0,1. 0,2)E_к .

Если исключить из схемы блокировочный конденсатор Сэ (Рис.4), то помимо увеличения входного сопротивления, появляется дополнительная возможность регулировки усиления каскада.

Рис.4

Для наглядной иллюстрации данного утверждения приведём формулы:

R_вх = [(r_э + R_э1) x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2 ;
I_б = (U_б — U_бэ)/[(R_э1 + r_э) x (1 + β)] , где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1
и Rб2 , I_делит = (3. 10)I_б ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / (r_э + R_э1) .

Последним изобразим (Рис.5) наиболее универсальный вариант включения биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером.

Рис.5

Данное схемотехническое решение позволяет производить регулировку усиления каскада в широких пределах, не меняя при этом режим транзистора по постоянному току.

R_вх = [(r_э + R_э2) x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2 ;
I_б = (U_б — U_бэ)/[(R_э1 + R_э2+ r_э) x (1 + β)] , где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1
и Rб2 , I_делит = (3. 10)I_б ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / (r_э + R_э2) .

Ну и под занавес, уважаемые дамы и рыцари, приведу калькулятор, который позволит рассчитать резистивные элементы различных схемотехнических конфигураций транзисторных каскадов с ОЭ.
При расчётах принято допущение, что сопротивление нагрузки Rн >> Rвых каскада, а выходное сопротивление источника сигнала Rи X_Cp1 , где Rвх — входное сопротивление каскада, посчитанное в калькуляторе,
X_Cp2 , где Rвх посл — входное сопротивление последующего каскада,
X_Cэ (Рис.3), либо
X_Cэ (Рис.5).

Перенесу сюда калькулятор для расчёта характеристического сопротивления конденсатора.

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Кафедра АПП и Э

“РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ”

по дисциплине: “Электротехника ”

Выполнил: ст. гр. 31АП

Проверил: Денисов В.П.

1. Основные понятия

2. Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

3. Задание на работу

4. Порядок расчета транзисторного усилителя по схеме с ОЭ

1. Основные понятия

Усилители являются одним из самых распространенных электронных устройств, применяемых в системах автоматики и радиосхемах. Усилители подразделяются на усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные транзисторные усилители, как и ламповые, состоят из одного или нескольких каскадов усиления. При этом все каскады усилителя обладают общими свойствами, различие между ними может быть только количественное: разные токи, напряжения, различные значения резисторов, конденсаторов и т. п.

Для каскадов предварительного усилителя наиболее распространены резистивныесхемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного сигнала усилительные схемы получили следующие названия:

1) с общей базой ОБ (рис. 1, а);

2) с общим коллектором ОК (эмиттерный повторитель) (рис. 1, б);

3) с общим эмиттером — ОЭ (рис. 1, в).

Наиболее распространенной является схема с ОЭ. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями, поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями в качестве первого каскада усилителя, а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором. В табл. 1 дается сопоставление различных схем включения транзисторов.

Название: Расчет транзисторного усилителя по схеме с общим эмиттером
Раздел: Рефераты по коммуникации и связи
Тип: курсовая работа Добавлен 00:52:05 19 октября 2009 Похожие работы
Просмотров: 9852 Комментариев: 13 Оценило: 3 человек Средний балл: 4 Оценка: неизвестно Скачать

Параметры

с общей базой (ОБ)

с общим эмиттером (ОЭ)

с общим коллектором (OK)

Коэффициент усиления по напряжению

30—400

30—1000

=20 мкФ.

Коэффициент усиления каскада по напряжению

1. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник/Под ред. Н. Н. Горюнова,-М.: Энергоатомиздат, 1983.

2. Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. Киев: Техника, 1980.

3. Справочник радиолюбителя-конструктора, – М.: Энергия, 1977.

4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник/Под ред. Б, Л. Перельмана, – М.: Радио и связь, 1981.

Схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi. В настоящее время она обычно применяется в виде готовых интегральных микросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы, практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы.Именно поэтому при приеме на работу и поиске сотрудников основным требованием является знание принципов работы усилителей с ОЭ.

Усилитель, каким бы он не был, (усилитель аудио, ламповый усилитель или усилитель радиочастоты) представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя

Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема с общим эмиттером — это усилитель, где эмиттер транзистора используется как для подключения входного сигнала, так и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером

На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания транзистора. В настоящее время схема с общим эмиттером практически не применяется в звуковых усилителях, однако в схемах усилителей телевизионного сигнала, усилителях GSM или других высокочастотных усилителях она находит широкое применение. Для питания транзистора в схеме с общим эмиттером можно использовать два источника питания, однако для этого потребуется два стабилизатора напряжения. В аппаратуре с батарейным питанием это может быть проблематично, поэтому обычно применяется один источник питания. Для питания усилителя с общим эмиттером может подойти любая из рассмотренных нами схем:

схема с фиксированным током базы,
схема с фиксированным напряжением на базе,
схема с коллекторной стабилизацией,
схема с эмиттерной стабилизацией.

Рассморим пример схемы усилителя с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией режима работы транзистора. На рисунке 3 приведена принципиальная схема каскада на биполярном npn-транзисторе, предназначенная для усиления звуковых частот.

Рисунок 3 Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером

Расчет элементов данной схемы по постоянному току можно посмотреть в статье "схема эмиттерной стабилизации". Сейчас нас будут интересовать параметры усилительного каскада, собранного по схеме с общим эмиттером. Его наиболее важными характеристиками является входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по мощности. В основном эти характеристики определяются параметрами транзистора.

Входное сопротивление схемы с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером входное сопротивление транзистора R_вхОЭ можно определить по его входной характеристике. Эта характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой p-n перехода. Пример входной характеристики кремниевого транзистора (зависимость напряжения U_б от тока базы I_б) приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Входная характеристика кремниевого транзистора

Как видно из этого рисунка, входное сопротивление транзистора R_вхОЭ зависит от тока базы I_б0 и определяется по следующей формуле:

(1)

Как определить ΔU_б0 и ΔI_б0 в окрестностях рабочей точки транзистора в схеме с общим эмиттером показано на рисунке 5.

Рисунок 5 Определение входного сопротивления схемы с общим эмиттером по входной характеристике кремниевого транзистора

Определение сопротивления по формуле (1) является наиболее точным способом определения входного сопротивления. Однако при расчете усилителя мы не всегда имеем под рукой транзисторы, которые будем использовать, поэтому было бы неплохо иметь возможность рассчитать входное сопротивление аналитическим способом. Вольтамперная характеристика p-n перехода хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

(2)

где I_б — ток базы в рабочей точке;
U_бэ — напряжение базы в рабочей точке;
I_s — обратный ток перехода эмиттер-база;
— температурный потенциал;
k — постоянная Больцмана;
q — заряд электрона;
T — температура, выраженная в градусах Кельвина.

В этом выражении коэффициентом, нормирующим экспоненту, является ток I_s, поэтому чем точнее он будет определен, тем лучше будет совпадение реальной и аппроксимированной входных характеристик транзистора. Если в выражении (2) пренебречь единицей, то напряжение на базе транзистора можно вычислить по следующей формуле:

(3)

Из выражения (1) видно, что входное сопротивление является производной напряжения на базе транзистора по току. Продифференцируем выражение (3), тогда входное сопротивление схемы с общим эмиттером можно определить по следующей формуле:

(4)

Однако график реальной входной характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, отличается от экспоненциальной функции. Это связано с тем, что омическое сопротивление полупроводника в базе транзистора не равно нулю, поэтому при больших базовых токах транзистора в схеме с общим эмиттером ее входное сопротивление будет стремиться к омическому сопротивлению базы r_бб’.

Входной ток схемы с общим эмиттером протекает не только через входное сопротивление транзистора, но и по всем резисторам цепей формирования напряжения на базе транзистора. Поэтому входное сопротивление схемы с общим эмиттером определяется как параллельное соединение всех этих сопротивлений. Пути протекания входного тока по схеме с общим эмиттером показаны на рисунке 6.

Рисунок 6 Протекание тока по входным цепям схемы с общим эмиттером

Значительно проще вести анализ данной схемы по эквивалентной схеме входной цепи, где приведены только те цепи, по которым протекает входной ток от источника сигнала. Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером

Данная схема построена для средних частот с применением эквивалентной схемы транзистора. На средних частотах входная емкость транзистора не оказывает влияния, поэтому мы ее не отображаем на эквивалентной схеме. Сопротивление конденсатора C3 на средних частотах близко к нулю, поэтому на схеме нет элементов R4C3. Элементы R_вых и h₂₁×i_вх не влияют на входную цепь и изображены на схеме для отображения усилительных свойств транзистора.

И, наконец, мы можем записать формулу входного сопротивления схемы с общим эмиттером:

(5)

После изготовления усилителя, рассчитанного по приведенным выше методикам необходимо измерить входное сопротивление схемы с общим эмиттером. Для измерения входного сопротивления используют схему измерения входного сопротивления усилителя, изображенную на рисунке 8. В данной схеме для измерения входного сопротивления используются измерительный генератор переменного напряжения и два высокочастотных вольтметра переменного тока (можно воспользоваться одним и сделать два измерения).

Рисунок 8 Схема измерения входного сопротивления усилительного каскада

В случае, если сопротивление R_и будет равно входному сопротивлению усилителя, напряжение, которое покажет вольтметр переменного тока V2, будет в два раза меньше напряжения V1. В случае, если нет возможности изменять сопротивление R_и при измерении входного сопротивления, входное сопротивление усилителя можно вычислить по следующей формуле:

(6)

Выходное сопротивление схемы с общим эмиттером

Выходное сопротивление транзистора зависит от конструктивных особенностей транзистора, толщины его базы, объемного сопротивления коллектора. Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, можно определить по выходным характеристикам транзистора. Пример выходных характеристик транзистора приведен на рисунке 9.

Рисунок 9 Выходные характеристики кремниевого транзистора

К сожалению, в характеристиках современных транзисторов выходные характеристики обычно не приводятся. Связано это с тем, что их выходное сопротивление достаточно велико и выходное сопротивление транзисторного каскада с общим эмиттером определяется сопротивлением нагрузки. В схеме, приведенной на рисунке 6, это сопротивление резистора R3.

Дата последнего обновления файла 31.05.2018

Шило В. Л. "Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре" под ред. Е.И. Гальперина — М.: "Сов. радио" 1974
npn транзистор общего назначения КТ3130
NPN general purpose transistors BC846; BC847; BC848 (один из лучших транзисторов, известных мне)
BFQ67 NPN 8 GHz wideband transistor
Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Электротехника и электроника Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Вместе со статьей "Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)" читают: