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 _вх уменьшатся (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_ЭKB = [ 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