asyan.org
добавить свой файл
1
Практическая работа №3

Тема: Изучение усилителей на биполярных транзисторах

Цель работы: на примерах моделирования схем усилителей с ОЭ и ОК изучить работа усилителей, а также научится расчету данных усилителей

    1. Теоретические сведения усилителя с общим эмитером

Серед численних варіантів підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах (БТ) найширше застосування знаходить каскад ізЗЕ, що маємаксимальний коефіцієнт передачі щодо потужності, варіант схеми якого наведено на рисунку 2.1.



Рисунок 2.1–Схема із загальним емітером

Якщо вхідного сигналу немає, то каскад працює в режимі спокою. За допомогою резистора задається струм спокою бази:



Струм спокою колектора



Напруга колектор-емітер спокою



У режимі спокою напруга складає десятки і сотні мВ (зазвичай 0,5÷0,8 В). При подачі на вхід додатноїпівхвилі синусоїдального сигналузростатиме струм бази, а отже, і струм колектора. У результаті напруга на зросте, а напруга на колекторі зменшиться, тобто станеться формування від’ємноїпівхвилі вихідної напруги. Таким чином, каскад ізЗЕ здійснює інверсію фази вхідного сигналу на 1800.

Графічно проілюструвати роботу каскаду ізЗЕ можна, використовуючи вхідні й вихідні статичні характеристики БТ, шляхом побудови його динамічних характеристик (ДХ). Унаслідокслабкої залежності вхідної провідності транзистора г від величини навантаження, вхідні статичні і динамічні характеристикипрактично збігаються. Вихідні ДХ – це прямі лінії, які в координатах відповідають рівнянням, що виражають залежності між постійними і змінними значеннями струмів і напруги на навантаженнях каскаду щодо постійного і змінного струму.

Процес побудови вихідних динамічних характеристик(прямих навантажень щодо постійного - , змінного - струму) зрозумілий з рисунка 2.2.



Рисунок 2.2– Динамічні характеристика каскаду ізЗЕ

Навантаження даного каскаду щодо постійного і змінного струму визначаються як:



Координати робочої точки Uкз, Irp, Uбез, Iбздля малосигнальних підсилювальних каскадів вибирають на лінійних ділянках вхідний і вихідний ВАХ БТ, використовуючи в слабосигнальнихпідсилювальних каскадах так званий режим (клас) посилення А. За відсутності в довідкових даних ВАХ БТ, координати робочої точки можуть бути визначені аналітичним шляхом (див. рисунок 2.2):

,

де - напруга нелінійної ділянки вихідних статичних ВАХ транзистора;



Якщо для слабосигнальнихкаскадів у результаті обчислення за наведеними вище формулами значення і виявляться відповідно менше 2 В і 1 мА, то, якщо не висуваються додаткові вимоги до економічності каскаду, рекомендується брати ті значення координат робочої точки, при яких наводяться довідкові дані та гарантуються оптимальні частотні властивості транзистора.

Повну електричну схему підсилювального каскаду із ЗЕ наведено на рис. 2.3.



Рисунок 2.3– Повна електрична схемапідсилювального каскаду із ЗЕ

На відміну від раніше розглянутого каскаду (рис. 2.2), тут застосовано емітерну схему термостабілізації(), що забезпечує кращу стабільність режиму спокою. Конденсатор потрібний для шунтування з метою з'єднання емітера транзистора із загальним дротом на частотах сигналу (усунення зворотного зв'язку на частотах сигналу).
    1. Теоретичні відомості. підсилювач іззагальним колектором


Схему каскаду із загальним колектором (ЗК)з емітерноюсхемою термостабілізації наведено на рисунку 3.1.



Рисунок 3.1 – Підсилювальний каскад із загальним колектором
Каскад ізЗКназивають ще "повторювачемнапруги" або "емітерним повторювачем", оскільки коефіцієнт передачіпо напрузі цього каскаду менший за одиницю, що випливаєз його подальшого аналізу.

При подачі на базу додатноїпівхвилі вхідного синусоїдального сигналу збільшуватиметься струм колектора, а отже, і струм емітера. У результаті спаду напруги наструмзбільшиться, тобтостанеться формування додатноїпівхвилі вихідної напруги. Таким чином, каскад ізЗК не інвертує вхідний сигнал.

Напруга сигналу, прикладена до емітерного переходу, є різницею між і. Чим більше (при заданому), тим меншою виявиться напруга, прикладена до емітерного переходу, що призводитиме до зменшення струму емітера і відповідно до зменшення, тобто в каскаді із ЗК виявляєтьсядія ОЗЗ, причому 100 %.

Характеристики БТ при різних схемах увімкненнянаведено в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1– Характеристики БТ при різних схемах увімкнення

Параметр

Схема

ЗЕ

ЗК



Сотні Ом

Одиниці кОм



Одиниці кОм

Одиниці, десятки Ом



>>1

<1



>>1

>>1









2.1. Загальний порядок розрахунку підсилювальних
каскадів на біполярнихтранзисторах


Виконання розрахунку підсилювальних каскадів на біполярних транзисторахнеобхідно починати в напрямку від вихідного ланцюга до вхідного.

Перед початком розрахунку підсилювального каскаду необхідно здійснити попередній вибір типу транзистора, ґрунтуючись на довідкових даних [5], заданих у завданні провідності транзистора, напруга живлення (параметр Uкевибраного транзистора має бути вище за напругу живлення схеми), коефіцієнт передачі струму бази транзистора (параметр h21 має бути не менше заданого в завданні параметра, струму колектора, який заздалегідь можна оцінити як Iк=h21(Iе(мА), де Iеберуть із завдання на розрахунково-графічну роботу (параметр Iкмах вибраного транзистора має бути не нижчий за набуте значення).

Підсилювальні властивості транзистора характеризуються статичними параметрами, статичний коефіцієнт передачі струму емітера транзистора, статичний коефіцієнт передачі струму бази транзистора.

Параметри і пов'язані співвідношеннями:

() ; ().

Потім після вибору транзистора виконується розрахунок елементів відповідної схеми згідно з п. 5.1або п. 5.2.

У разі, якщо отримані дані не відповідають потрібниму завданні, необхідно провести уточнювальний розрахунок, вибравши транзистор з великим значенням h21.

Наприкінці розрахунку потрібно виконати тип і номінал резисторів (відповідно до ряду), згідно з розрахованим значенням потужності та значенням опору [6], вибір типу і номіналів конденсаторів [7], вибіррознімань [8].

Розрахунок завершуєтьсярозробкою схеми електричної принципової (див. п. 1.5) і переліком елементів.

Додаткова інформація про роботу підсилювальнихкаскадів, розрахунок елементів та інші потрібні відомості можуть бути отримані в [9,11].

2.1.1. Порядок розрахунку підсилювача іззагальним емітером


Схему підсилювача зображено на рисунку 4.1.



Рисунок 4.1 – Схема електрична принципова підсилювача із загальним емітером.
1. Розрахувати ємність вихідного розподілювального конденсатора.

Розподілювальнийконденсатор С3 призначений для виключення протікання постійного струму в навантаження. Цей конденсатор разом з опором навантаження є фільтром високих частот. Розрахунок конденсатора проводиться згідно з наступним виразом:

С3 = 1 / (2fвхRн);

де fвх – вхідна частота; Rн – опір навантаження.

2. Розрахувати струм колектора.

Iк=h21*Iе;

де Iе – струм емітера (беремо згідно із завданням).

3. Розрахувати опір у ланцюзі колектора.

Напруга на колекторі зазвичай вибирається як половина напруги живлення, що забезпечує посилення сигналу з мінімальними спотвореннями, таким чином напруга на колекторі визначаєтьсязгідно з виразом:

Uк0=0,5*Ежив;

тоді опір Rк у ланцюзі колектора визначається як:

Rк= R3 = Uк0/Iк=0,5Ежив/Iк.

Потужність Р3, що розсіюється на опорі R3у колекторному ланцюзі транзистора визначається як:

Р3 = (Ик) 2*R3.

4. Розрахувати опір у ланцюзі емітера.

Для визначення опору в ланцюзі емітера спочатку необхідно задати напругу на емітері Uе, яке зазвичай знаходиться в діапазоні 1...2 В. Точне значення Uевибирається згідно із завданням на розрахунково-графічну роботу.

Опір Rе визначається за законом Ома:

Rе= R4= Uе/Iе.

Струм емітера Iе вибирається в діапазоні (0,5...1,0) мА.

Потужність Р4, що розсіюється на опорі R4у ланцюзі емітера визначається як:

Р4 = (Iе) 2*R4.

5.Розрахувати вхідний опір транзистора з боку бази.

Вхідний опір транзистора з боку бази h11визначається за формулою:

h11=Rе* ().

6. Розрахувати резистивний подільник у ланцюзі бази транзистора на постійному струмі.

Резистивний подільнику ланцюзі бази забезпечує слідкуючий зворотний зв'язок за температурою, шляхом стабілізації потенціалу бази транзистора відносно землі.

Якщо в режимі максимального сигналу струм подільникаIдперевищує струм бази Iб, то потенціал бази Uбвизначатиметься тільки напругою живлення Еживі співвідношенням резисторів R1, R2. Тому забезпечення температурної стабілізаціїрежиму забезпечується умовою:

Iд= Ежив/ (R1+R2)= Iе.

Потенціал бази Uб визначається як:

Uб= d+Uе,

де (d – статичний потенціал рn – переходу(для кременевих транзисторів (d =0,6 …0,8В).

Резистори R1, R2визначатися як:

R2=Uб/Iд= (d+Uе)/Iе;

R1= (Eжив- Uб)/Iд= (Eжив- Uб) / То есть.

Потужності Р1, Р2розсіювані на опорах подільникаR1, R2:

Р1 = (Iд) 2*R1;

Р2 = (Iд) 2*R2.

7.Розрахувати резистивного подільникав ланцюзі бази транзистора на змінному струмі.

Еквівалентний опір подільникаR1, R2змінного струму Rд.екввизначається виразом:

Rд.екв= R1*R2/ (R1+ R2).

8.Розрахувати вхідний опір підсилювача.

На низьких частотах вхідний опір підсилювача Rвх є активним і відповідає паралельному з'єднанню опорів h11 і Rд.екв

Rвх.= h11*Rд.екв/ (h11 + Rд.екв).

9. Розрахувати ємністьвхідного конденсатора.

Розподілювальнийконденсатор С1 призначений для відділення постійної складової вхідного сигналу. Величина ємності конденсатора С1 визначається за формулою:

С1.1/(2fсигнRвх).

10.Розрахувати ємністьконденсатора в ланцюзі емітера.

Попередній розрахунок ємності виконується за заданим значенням статичного коефіцієнта підсиленняКу, за виразом:

.

Розрахунок фазового зрушення в емітерному ланцюзі виконується як:

.

11.Виконатиперевірний розрахунок коефіцієнта підсилення.

,

де ω = 2πf.

У випадку, якщо розрахункове значення коефіцієнта підсиленняКu менше за задане, повторити розрахунок, вибравши транзистор з більшим значенням α. k

2.1.2. Порядок розрахунку підсилювача із загальним колектором


Схему підсилювача зображено на рисунку 4.2.



Рисунок 4.2 – Схема електрична принципова підсилювача із загальним колектором.

1. Розрахувати ємністьвихідного розподілювальногоконденсатора.

Розподілювальнийконденсатор С3 призначений для виключення протікання в навантаження постійного струму. Цей конденсатор разом з опором навантаження є фільтром високих частот. Розрахунок конденсатора виконується згідно з наступним виразом:

С3.1/ (2fвхRн);

де fвх – вхідна частота, Rн – опір навантаження.

2. Розрахувати опір у ланцюзі емітера.

Напруга на емітері зазвичай вибирається як половина напругиживлення, що забезпечує підсиленнясигналу з мінімальними спотвореннями, таким чином напруга на колекторі визначаться згідно з виразом:

UЕ=0,5*Ежив;

тоді опір RЕ у ланцюзі колектора визначається як:

RЕ= R3 = UЕ/IЕ=0,5Ежив/IЕ;

Потужність Р3, що розсіюється на опорі R3 в емітерному ланцюзі транзистора визначаєтьсяяк:

Р3 = (Iе) 2*R3.

3. Розрахувати еквівалентнийопір навантаження за змінним струмом.

Еквівалентнийопір навантаження за змінним струмом визначається як паралельне ввімкнення емітерного резистора та опору навантаження

Rн.екв.еп= [R3*Rн/ (R3+Rн)];

4. Розрахувати вхідний опір схеми.

Вхідний опір визначаться за виразом:

Rвх.еп= Rн.екв.еп*(+1).

5. Розрахувати резистивнийподільник у ланцюзі бази транзистора на постійному струмі.

Подільник, що складається з резисторів R1 і R2 вибирають так, щоб підключення подільникапрактично не впливало на вхідний опір схеми. Розрахунок подільника виконуєтьсятаким чином.

Визначається потенціал бази за виразом:

Uб=d+Uе=d+0,5Ежив

де d – статичний потенціал рn–переходу(для кременевих транзисторів d=0,6....0,8В).

Визначається вхідний опір.

Вибираєтьсязначення опору R2 з урахуванням

R210*Rвх;

де Rвх – вхідний опір схеми згідно із завданням.

Розраховується струм подільника

Iп=Uб/R2.

Розраховується струм опоруR1

R1 = (Eжив- Uб)/Iп= (Eжив- Uб)/Iе.

Розраховується потужність резисторів подільника

Р1 = (Iп) 2*R1;

Р2 = (Iп) 2*R2.

6. Розрахувати еквівалентнийвхідний опір підсилювача за змінним струмом.

Розраховується провідність подільникана змінному струмі:

g12= (1/R1)+ (1/R2);

розраховується вхідна провідність:

Gвх= (1/Rвх);

розраховується еквівалентна вхідна провідність:

Gвх.екв=g12+Gвх;

розраховується еквівалентний вхідний опір:

Rвх.екв= (1/Gвх.екв);

7. Розрахувати ємністьвхідного конденсатора.

Розподілювальнийконденсатор С1 призначений для відділення постійної складової вхідного сигналу. Величина ємності конденсатора С1 визначається за формулою:

С1.1/(2fсигнRвх).

  1. Исследование моделей усилителя с ОЭ и ОК

В пакете моделирования LTSpice создать модель усилителе с ОЭ



Транзистор Q1 выбирается из библиотеки компонентов (F2)



Разместив транзистор на рабочей области установить его модель 2N3904 (ПКМ>>PickNewTransistor)



Для элемента voltage (V1) установить сигнал sine и задать параметры

DCoffset =0 –смещение

ACAmplitude=0.5 – амплитуда сигнала

Freq=500 – частота сигнала

Для элемента voltage (V2) задать постоянное напряжение 15V



Запустить программу на выполнение Run и задать параметры

Stop Time =0.03

Time to start saving data =0

Maximumtimestep =1u



График отобразить из точки OUTи положительного контакта V1



Добавив новую полосу графика



Вывести на нее ток базы и коллектора, для этого нужно нажать на добавленном графике ПКМ,выбрать пункт AddTraceи дальшеIb(Q1) Ic(Q1)



Просмотрев осциллограммы необходимо провести частотную характеристику усилителя с ОЭ. Для этого необходимо нажать ПКМ на строке .tran 0 0.03 0 1uпоявится окно симуляций выбрать в нем вторую вкладку ACAnalysisи установить значения



Также изменить источник сигнала следующим образом



Повторно запустить программу на моделирование и снять показания с точки Out.
Изменить схему усилителя с ОЭ на схему с ОК


Просмотреть осциллограммы усилительного каскада, а также произвести изменения для измерения частотных характеристик.
Контрольные вопросы

  1. Назначение усилителя с ОЭ и ОК

  2. Отличия ОЭ и ОК

  3. Какие еще есть усилитель на биполярных транзисторах


Индивидуальные задания
Варіант завдання на розрахунково-графічну роботу визначається на основі 3-х останніх цифр залікової книжки студента таким чином:

1. Присвоїти кожній з останніх трьох цифр буквене позначення, остання – А, дргуа з кінця – В, третя з кінця, – С. (Наприклад, якщо останні цифри номеру залікової книжки 321, то відповідне буквене значення буде С = 3, В = 2, А = 1. Якщо одна з цифр дорівнює 0, то треба взяти замість неї наступну після четвертої цифру, яка не дорівнює 0. Наприклад, якщо номер залікової книжки закінчується на 28301, то три цифри для визначення варіанта будуть 382.

2. Згідно з таблицею Д 1 визначити початкові дані свого варіанта.

Таблиця Д1. Варіанти завдання на розрахунково – графічну роботу



Характеристичні параметри

Варіант

1

Вид схеми

А парне ЗК

А непарне ЗЕ

2

Провідність транзистора


B парне "pnp"

B непарне "npn"

3

Частота вхідного сигналу, fвх (Гц)

СВА*10

4

Опір навантаження, Rн (Ом)

В+А ( якщо отримане значення менше 8, використовувати варіант ВА)

5

Струм емітера транзистора в статичному режимі, Iе (мА)

АВ/10 ( якщо отримане значення менше 1, використовувати варіант (В+А)/10)

6

Напруга живлення, Ежив (В)

С+А (якщо отримане значення менше 9 використовувати С+В+А)

7

Напруга на емітері, В (для схеми з ЗЕ)

1+А/10

8

Попереднє значення коефіцієнта передачі струму бази

транзистора

СВ ( якщо отримане значення менше 20, використовувати варіант BC)

9

Коефіцієнт підсилення за напругою, Кu (для схеми із ЗЕ)

(АВ)


Приклад формування варіанта наведено у таблиці ПЗ_3

Номер залікової книжки 78341, тоді букві С відповідає цифра 3, букві В – цифра 4, букві А – цифра 1. Дані варіанта відповідно до таблиці ПЗ_3будуть наступні:

Таблиця ПЗ_3. Приклад визначення варіанта завдання на розрахунково-графічну роботу



Характеристичні параметри

Варіант

1

Вид схеми

Схема з ЗЕ

2

Провідність транзистора


"pnp"


3

Частота вхідного сигналу (Гц)

3410 (СВА*10)

4

Опір навантаження (Ом)

41 (ВА)

5

Струм емітера транзистора в статичному режимі (мА)

1,4 (АВ/10)

6

Напруга живлення (В)

8 (С+В+А)

7

Напруга на емітері, В

1,1 (1+А/10)

8

Попереднє значення коефіцієнта передачі струму бази

транзистора

34 (СВ)

9

Коефіцієнт підсилення за напругою Кu

14 (АВ)