Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Автоматизации производственных процессов

^{(наименование кафедры)}

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К курсовой работе

по дисциплине "Электротехника, электроника и схемотехника".

^{(наименование дисциплины)}

на тему: Расчет усилительного каскада с общим эмиттером.

^{(тема курсовой работы)}

Выполнил студент группы 11-КБ-ИВ1 Чуян С.Г..

^(Ф.И.О.)

Допущен к защите 25.10.2012.

Руководитель проекта доцент Горохов Д.А..

Защищен ______________________

Оценка ________________________

^(дата)

Члены комиссии___________________________________________________

^{(подпись, дата, расшифровка подписи)}

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Автоматизации производственных процессов

^{(наименование кафедры)}

Утверждаю:

Зв. кафедрой

К.т.н., доцент Петриченко Г.С.

ЗАДАНИЕ

На курсовое проектирование

Студенту: __ 11-КБ-ИВ1 ________ группы __________ 2 ___________курса

факультета ________________ КТАС ___________________________

направления подготовки 230100 - Информатика и вычислительная техника Чуян С.Г.

Тема проекта: Расчет усилительного каскада с общим эмиттером.

Содержание задания: Разработка усилительного каскада с общим эмиттером,, работающего в режиме А и содержащего базовый делитель напряжения и эмиттерную термостабилизацию рабочей точки

Объем работы:

пояснительная записка к проекту ______ 20 ________ листов формата A4

Рекомендуемая литература:

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника.. Учеб. для вузов.- 4-е издание. - М.: Высшая школа, 2006 г..

2. Жаворонков М.А., Кузин А.В. Электротехника и электроника: учебное. пособие для вузов – М.: Академия, 2005 г..

Срок выполнения проекта: с “___”________ по “ ” 2012 г.

Срок защиты: “ ” декабря 2012 г.

Дата выдачи задания: “ ” сентября 2012 г.

Дата сдачи проекта на кафедру: “ ” 2012 г.

Руководитель проекта ___________ доцент Горохов Д.А.

^{(подпись, ф.и.о., звание, степень)}

Задание принял студент ____________________________________________

^{(подпись, дата)}

Содержание

Введение…………………………….………...………………………...4

Теоретическая часть………………………....……………………........5

- общие понятия……………… …….……...…………………….........5

- Режим покоя в каскаде с общим эмиттером …………………........11

Практическая часть……………………….…………………….….….17

- предварительные данные для расчета усилительного каскада......17

- выбор типа транзистора.……………….………………………..….18

- выбор режима работы транзистора по постоянному току и расчет номиналов элементов усилителя……………………............19

Заключение………………………………………....………………….27

Список использованной литературы………………...……………....28

Введение

В современной электронике все большая роль отводится использованию достижений цифровой и (в несколько меньшей мере) аналоговой микросхемотехники. Устройства на микросхемах (более того, иногда только на микросхемах) стали проникать даже в те области, где ранее никому не приходило в голову их использовать из-за явно большей себестоимости по сравнению с простейшими транзисторными цепочками (различные датчики, игрушки, бытовые и промышленные индикаторы и сигнализаторы и т.п.). Несмотря на это все еще остаются сферы, где применение дискретных элементов по-прежнему популярно, а иногда и неизбежно. Кроме того, знание способов включения и режимов работы транзисторов, а также методик построения и анализа транзисторных схем является обязательным для любого инженера – электронщика, даже если ему и не приходится в реальной жизни проектировать схемы на дискретных элементах (ведь современные микросхемы — суть транзисторные схемы, помещенные в один общий корпус с внешними выводами).

Теоретическая часть

Общие понятия.

Усилителями называются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов — усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.

Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные или двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными. По традиции их называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя такое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную, но и переменную составляющую {приращения сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ нельзя связывать источник и приемник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают постоянной составляющий сигнала. Это условие вызывает некоторые трудности при создании УПТ, с которыми мы познакомимся ниже, но оно же обусловило еще большее распространение УПТ с появлением микроэлектроники: УПТ не содержат элементов, выполнение которых в составе ИМС невозможно (трансформаторы и конденсаторы большой емкости).

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электродытранзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуациивозможны и другие, приводящие, например, к протеканиюв n-p-n -структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярноголярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение, именнов активном режиме транзистор наилучшим образом проявляетсвои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активномурежиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиметранзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзисторав инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чемврежиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба переходатранзистора находятся под прямым смещением. В этомом случае выходной ток транзистора не может управлять его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа. Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Для того чтобы рассмотреть принцип действия простейшего усилительного каскада, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), рассмотрим схему с транзистором n-р-n –типа, представленную на рис. 1.

Рис. 1. Простейшая схема включения транзистора с ОЭ.

Источник напряжения Е_к>> U_кэн, где U_кэн - обозначено на выходной характеристике транзистора (рис. 2.), связан с коллекторным электродом транзистора через сопротивление нагрузки R_к. Входной сигнал подается на базу транзистора (напряжение и_бэ и ток i_б). Построим зависимость U_кэ f(U_бэ)> называемую передаточной характеристикой каскада.

Рис. 2. Выходные характеристики биполярного транзистора с ОЭ.

При увеличении напряжения и_бэ растет ток i_Б (см. входную характеристику транзистора рис. 3 при и _кэ≥ U_кэн), растет и ток коллектора: i_K =(β+1)I_КБ0 + β i_б..

Рис. 3. Входные характеристики биполярного транзистора с ОЭ.

В результате увеличивается падение напряжения на резисторе R_к, уменьшается напряжение и _кэ = Е_к - i_к R(рис. 4). При достижении напряжения и _кэ= U_кэн дальнейшее увеличение и_бэ не вызывает изменений напряжения и_кэ итока i_к,протекающего через резистор R_к. В этом режиме к R_к приложено напряжение Е_к - U_кэн, и поэтому ток коллектора i_к = I_кн =(Е_к - U_кэн)/ R_к.

Рассмотрение передаточной характеристики каскада показывает, что при изменении напряжения и_бэ или тока i_Б в цепи маломощного источника сигнала можно изменить ток i_к и напряжение и_кэ в цепи более мощного источника Е_к. Однако коллекторное напряжение можно изменять лишь в пределах U_кэн ≤ и _кэ ≤ Ек,а ток — в пределах I_КБо ≤ i _кэ ≤ (Ек - U_кэн)/ R_к (участок 11 на передаточной характеристике). При отрицательных и_бэ и на участке 1 через транзистор протекает только малый неуправляемый ток коллекторного перехода, а на участке 111 и _кэ = U_кэн и транзистор теряет свойства усилительного элемента. Еще один вывод, который можно сделать из анализа передаточной характеристики рассмотренного усилительного каскада: при увеличении и _бэ (участок II) и_кэ уменьшается. Усилитель, в котором приращение выходного сигнала противоположно по знаку приращению входного сигнала, называется инвертирующим.

Передаточная характеристика каскада позволяет нам рассмотреть различные способы работы каскада, называемые классами усиления.

На рис. 4 показаны произвольный двухполярный входной сигнал u_вх(t) и форма кривой напряжения на коллекторе и_кэ (t) в различных режимах (классах усиления). При работе в классе усиления В и _бэ = и _вх.Нелинейность передаточной характеристики каскада приводит к тому, что в классе В на выход передается сигнал только одной полярности: и _вх> 0. Класс В в рассмотренном простейшем каскаде можно использовать только для передачи не столь часто встречающихся однополярных сигналов. При передаче двухполярного напряжения форма его искажается, часть информации безвозвратно теряется.

Рис. 4. Передаточная характеристика транзисторного каскада с ОЭ

При работе в классе усиления А на вход усилителя одновременно со входным сигналом u_BX(t) подается также постоянное напряжение смещения, так что и_бэ= и_вх+ U_см(см. временные диаграммы сигналов на рис. 4). Благодаря смещению в кривой напряжения и_бэ (t) входной сигнал воспроизводится полностью, практически без искажений формы, так как значения и_бэ постоянно соответствуют участку 11 передаточной характеристики. Режим работы усилителя, когда включены источники питания и подано смещение, но и_вх= 0, называется режимом покоя. В этом режиме и_бэ = U_бэп и i_б= I_бп, а и_кэ = U_кэп. При приложении отрицательного (или положительного) напряжения и _вхуменьшатся (или соответственно увеличатся) токи i_би i_к и падение напряжения на Rк, в результате увеличится (уменьшится) напряжение щ_э: и_кэ = U_кэп+ Δ U_кэ где Δ U_кэ = и _вых — полезный эффект усиления.

При работе в ключевом режиме (режим большого сигнала) изменение входного напряжения захватывает участки 1 - 111 передаточной характеристики (см. временные диаграммы на рис. 4). Форма передаваемого сигнала искажается (ограничивается его амплитуда). Подобный режим работы каскада находит широкое применение в импульсной технике при передаче импульсов прямоугольной формы, где ограничение амплитуды импульсов несущественно.

Выбор класса усиления и выбор режима покоя определяет не только форму передаваемого сигнала, но и мощность потерь, вызывающую нагрев транзистора:

На диаграммах рис. пунктиром изображена зависимость мощности Р_кв режиме покоя от напряжения смещения U_бэп Эта зависимость показывает, что выбор U_бэп в середине участка 11 передаточной характеристики каскада соответствует максимальным потерям мощности в транзисторе.

Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

Выделение режима покоя при анализе электронных схем является одним из типовых приемов схемотехнической электроники. Продолжим рассмотрение каскада с ОЭ в наиболее распространенном классе усиления — классе А.

Схема каскада приведена на рис. 5; вначале будем рассматривать упрощенный вариант каскада при R_Э = 0. Схема содержит знакомые нам компоненты: усилительный элемент— транзистор, источник питания Е_к. сопротивление коллекторной нагрузки R _к. На схеме появилось сопротивление коллекторной нагрузки R_Ht к которому приложено напряжение и_вых, а входная цепь условно представлена в виде последовательного включения двух источников напряжения и_вх и U_см.

На рис. 6 представлены временные диаграммы напряжений и токов в каскаде с ОЭ. При и_вх = 0 в режиме покоя через транзистор протекают постоянные токи I_Бп, I_Кп,I_Эп и к базе и коллектору транзистора приложены постоянные напряжения U_БЭп и U_БЭп≠ 0.

Рис. 5. Каскад с ОЭ

Рис. 6. Временные диаграммы токов и напряжений в каскаде с ОЭ

Для того чтобы в режиме покоя U_вых = 0, в цепь нагрузки R_Н необходимо ввести источник постоянного компенсирующего напряжения U_{ком п} = U_КЭп. При приложении входного напряжения токи и напряжения в транзисторе получают приращения U_БЭ = и _вх, ΔI_к, ΔI_Э, ΔU_КЭ =U_вых, которые показаны на рис. 6 для входного сигнала произвольной формы. Мгновенные значения токов и напряжений в транзисторе могут быть найдены с помощью графического метода, который является одним из эффективных средств анализа нелинейных цепей.

В схеме рис. 5 имеется лишь один нелинейный элемент— транзистор; связь токов и напряжений в транзисторе представлена его ВАХ (см. рис. 1), в частности его выходными характеристиками

I_к = f(и _кэ)при I_Б = const. (1)

При графическом анализе линейная часть схемы описывается уравнением в тех же координатах (i_к, и _кэ).

Рассмотрим режим покоя. Допустим, что в цепь нагрузки включен источник компенсирующего напряжения U_комп = U_{КЭ п}. Тогда в режиме покоя ток в нагрузочную цепь (R_н, U_комп) не ответвляется и уравнение линейной части схемы записывается в виде

i_к = (Е_к - и _кэп)/R_к (2)

Решаем систему уравнений (1), (2) графически, для этого через семейство выходных характеристик транзистора (рис. 7) проводим линию нагрузки по постоянному току, описываемую (2). Из (2) находим, что при i_к = 0, и_кэ = Е_ки при i_к = Е_к/R_к. Через две найденные точки проводим прямую линию. Зададим ток базы в режиме покоя I_Бп, тогда пересечение линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при i_Б = I_Бп будет соответствовать решению системы уравнений (1), (2)—точке покоя 0 (U_{КЭ п}, I_Кп).

В общем случае условие U_комп = U_КЭп не выполняется и ток коллектора ответвляется в цепь R_н. Заменим в этом случае линейную часть схемы (Е_к, R_к, U_комп, R_н) эквивалентными сопротивлениями и ЭДС U_экв, R_экв, найденными согласно теореме об эквивалентном генераторе. Можно убедиться, что R_экв = R_КR_Н /(R_К + R_Н), a E_Э_KB = [ R_КR_Н /(R_К + R_Н)] ( U_комп/R_н + E_K/R_к). Эти значения Е_экв, R_экв подставим вместо R_K и Е_к в (2) и построим по этому уравнению линию нагрузки по постоянному току.

Рис. 7. Графический расчет каскада с ОЭ:

Графический анализ каскада при наличии входного сигнала производится аналогично. Рассмотрим контур прохождения тока ΔI_к через линейную часть схемы. Этот ток может пройти через R_K и Е_К, а также через U _комп и R_н. Поскольку сопротивление источников постоянного напряжения для приращений тока (т. е. их сопротивление для переменной составляющей тока) равно нулю, уравнение линейной части схемы имеет вид

ΔI_к = ΔU_кэ(R_K + R_Н)/(R_K R_Н) (3)

Решаем совместно (1) и (3). Для этого через семейство выходных характеристик транзистора (рис. 7) проводим через точку покоя линию нагрузки по переменному току АОВ в соответствии с выражением (3). Поскольку R_K > (R_K + R_Н)/(R_K R_Н), прямая АОВ идет круче линии нагрузки по постоянному току.

При увеличении i_б рабочая точка каскада (и_кэ, i_к) перемещается вверх по прямой ОА, ток i_к растет, и_кЭ падает. При уменьшении тока базы рабочая точка перемещается по прямой ОВ, ток i_к падает, и_кэ растет. Прямая АОВ — это траектория рабочей точки каскада

Графический анализ позволяет учесть нелинейность характеристик транзистора, дает возможность рассматривать действие любых сигналов в любом классе усиления. Недостатком его являются громоздкость и невозможность выбора параметров элементов каскада по заданным требованиям. Главное достоинство графического анализа — наглядное представление о работе каскада как о схеме с нелинейным элементом.

Практическая часть