Функциональные аспекты транзисторов. Расчёт усилительного каскада на биполярном транзисторе

Схема включения с двумя источниками питания в динамическом режиме с ОИ.

 

 

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности

 

 

Схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ

Транзистор в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующим ему напряжением сток-исток Uсип. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора Uзип. Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении тока Iсп (URи = Iсп Rи) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется так же для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя Iсп. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си. Этим обеспечивают постоянство коэффициента усиления каскада.

Стоковые характеристики

Зависимость тока  стока  от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток называется стокозатворной характеристикой  полевого транзистора. Стоковая характеристика полевого транзистора для схемы включения транзистора с общим истоком – это зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток

 

Обозначение:	Параметр
Iз/Uз нА/В	ток утечки затвора при объединенных стоке и истоке и напряжение между стоком и затвором, при котором измеряется ток утечки.
Cвх, пф	входная емкость полевого транзистора. C11=Cзи+Cзс.
Cпр, пф	проходная емкость полевого транзистора. C12=Cзс.
Cвых пф	выходная емкость полевого транзистора. C22=Cзс+Cзи.
Uзи/Iс(U0) В/mА(В)	напряжение отсечки (U0) полевого транзистора или напряжение затвор-исток (Uзи) при заданном токе стока (Iс).
Uзс, В	максимально допустимое постоянное напряжение между затвором и стоком.
Uзи, В	максимально допустимое постоянное напряжение между затвором и истоком.
Uси, В	максимально допустимое постоянное напряжение между стоком и истоком.
Iс А	максимально допустимый постоянный ток стока.
P, Вт	максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на транзисторе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преимущесво и недостатки полевых транзисторов по сравнению с биполярным.

ПТ обладают рядом приемуществ по сравнению с биполярными: 
- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление; 
- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей); 
- почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость (т.к. усилительные свойства ПТ обусловлены переносом основных носителей заряда, верхняя граница эффективного усиления мощных ПТ выше, чем у биполярных, и применение ключевых усилителей на ПТ при тех же напряжениях питания возможно на частотах около 400 мГц, в то время как на биполярных транзисторах разработка ключевых генераторов частотой выше 100 мГц является весьма сложной задачей); 
- квадратичность вольт - амперной характеристики (аналогична триоду); 
- высокая температурная стабильность; 
- малый уровень шумов. 
Используя большое входное сопротивление ПТ, можно увеличить коэффициент передачи и существенно снизить коэффициент шума в УНЧ, предназначенных для работы от высокоомных источников сигнала. Наличие термостабильной точки позволяет снизить дрейф в ряде усилителей постоянного тока (УПТ).

 

Физический смысл параметра Ri

дифференциальное выходное (внутреннее Ri) сопротивление

 

при Uзи=const

Значение параметра Ri определяют при работе транзистора в режиме насыщения. Так как для полевых транзисторов режиму насыщения соответствует пологая часть выходной характеристики.

 

Условное обозначения МДП - транзисторов приведены на рис. 5.6. 
 
Рисунок 5.6 – Условное обозначение МДП - транзисторов: 
а − со встроенным каналом n- типа; 
б − со встроенным каналом р- типа; 
в − с выводом от подложки; 
г − с индуцированным каналом n- типа; 
д − с индуцированным каналом р- типа; 
е − с выводом от подложки

Расшифровка маркировки КП723Г:

К- кремниевый

П- полевой

7- средней мощности

23- номер разработки

Г- разновидность

 

 

2.2 Биполярные  транзисторы, расчёт усилительного  каскада

Наиболее важное назначение электронных приборов - усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями.

Усилитель - это электронное устройство, управляющее энергией, поступающей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схематичное представление работы усилителя

Усилительные устройства широко используются в автоматике и телемеханике, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, бытовой радиоаппаратуре и т.д.

Важнейшими техническими показателями являются: коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, частотные, фазовые и нелинейные искажения.

Большинство источников усиливаемого сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т.к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, входят предварительные каскады усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером (ОЭ), которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора.

 

Резистивный каскад на биполярном транзисторе

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис..Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении RK. Разделительный конденсатор Сp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Сp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор RБ в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

 

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером

Для выяснения роли резистора RБ обратимся к рис., иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером. В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин.

 

 

 Графическое пояснение процесса  усиления сигнала схемой с общим эмиттером

Um ВХ           I Б m IК m              IК m RК          (Um КЭ = EК  - IК m RК ) = U m ВЫХ

Действительно, рассматривая вначале рис а, а затем рис б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой (Um ВХ=UБЭ m) синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°,  т. е.  находятся в противофазе.

Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частном случае сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку (точку покоя) П следует располагать в середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора (режим усиления класса А). Из рис б видно, что положение рабочей точки П соответствует току смещения в цепи базы IБП . Для получения выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор RБ в схеме в первом рисунки.

Схема, приведенная на рис., получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора RБ (десятки кОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра β даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе В этой схеме резисторы R'Б и R"Б , подключенные параллельно источнику питания ЕК , составляют делитель напряжения.

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения.

Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

 

Сопротивление R"Б делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что R'Б и R"Б включены параллельно друг другу. Поэтому делитель, образованный резисторами R'Б и R"Б должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких кОм). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым.

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы, - влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, приведенная на рис.

 

Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

 В этой схеме навстречу  фиксированному прямому напряжению  смещения, снимаемому с резистора R"Б, включено напряжение, возникающее на резисторе RЭ при прохождении через него тока эмиттера. Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как IЭ =IК+IБ, то увеличение тока IК приведет к увеличению тока эмиттера IЭ и падению напряжения на резисторе RЭ. В результате напряжение между эмиттером и базой UБЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы IБ, а следовательно, и тока IК.

Наоборот, если по какой либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе RЭ, а прямое напряжение  UБЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.

В большинстве случаев резистор RЭ шунтируется конденсатором CЭ достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора RЭ.

 

Условие задачи:

Расчитать резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе.

 

 Данные для расчета.

Вариант	Тип транзистора	Напряжения источника питания Ek В	Амплитуда Входного тока следующего каскада Iвх мА	Низняя частота рабочего диапозона  Fн Гц	Верхняя частота рабочего диапазона Fв мГц	Емкость нагружающая каскад Co пФ	Сопротивление нагрузки Rн Ом
7	КТ312В	9	1.2	40	1,5	100	10000