Данную схему (рис. 5) называют также эмиттерным повторителем, вследствие того, что ее выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора, близко по величине к входному напряжению(Uн=Uвх— Uбэ»Uвх) и совпадает с ним по фазе.
Резистор Rэ в схеме выполняет те же функции, что и Rк в схеме с ОЭ - создание Uвых за счет протекания Iэ, управляемого по цепи базы. R1, R2 задают режим покоя каскада, часто R2 не вводят для того, чтобы увеличить входное сопротивление.
Высокое Rвх — основное достоинство схемы с ОК, поэтому схему с ОК применяют для согласования с источником сигнала, обладающим высоким внутренним сопротивлением.
Для оценки КU примем Rвх>>Rг, а Rвх»(1+b)(Rэ||Rн) при этом КU»1, точно КU<1 и в пределе стремится к 1.
Это свойство каскада ОК используют, когда необходимо повысить мощность сигнала при сохранении величины его амплитуды напряжения, т.к. КU»1, то и КP»КI.
Выходное сопротивление мало (10¸50) Ом.
Это свойство используют, когда необходимо решить задачу согласования выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки. При этом каскад ОК применяют в качестве выходного каскада усилителя.
Влияние разделительных конденсаторов на частотную характеристику полностью аналогично влиянию соответствующих конденсаторов в каскаде с ОЭ. Они полностью определяют вид низкочастотной части АЧХ каскада.
Важной особенностью эмиттерного повторителя является то, что его входное сопротивление резко уменьшается при повышенной частоте. Это обусловлено инерционностью процессов в базе транзистора, а также наличием коллекторной и нагрузочной емкостей.
Функциональная схема приведена на рис 5.
Рис 5. Функциональная схема каскада с ОК.
Практическая часть
Для расчета выбрали схему, которая изображена на рис. 6.
Рис 6. Электрическая принципиальная
схема усилительного каскада с ОК.
VT1, Rэ – эмиттерный повторитель.
RБ1, RБ2 – резистивный делитель напряжения для смещения рабочей точки транзистора.
С1, С2 – разделительные (фильтрующие) конденсаторы, которые свободно пропускают переменное напряжение в заданном диапазоне частот и отделяют каскад по входу и выходу по постоянному току.
Rн – сопротивление нагрузки, с которого снимают выходной сигнал.
Характерные особенности схемы:
1) Высокое входное сопротивление, значение которого достаточно стабильно.
2) Большой коэффициент усиления по току.
3) Стабильный коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице.
4) Малое выходное сопротивление.
5) Отсутствие в рабочем диапазоне частот фазового сдвига между входным и выходным напряжениями.
Недостатки: Ограничение по сопротивлению нагрузки, так как при низкоомной нагрузке емкость конденсатора С2 должна быть очень большой.
где Iэ пок – ток эмиттера при нулевом входном сигнале Uвх; Uп – напряжение питания.
где Uэ пок – выходное напряжение эмиттерного повторителя при нулевом напряжении Uвх.
где Uб пок – входное напряжение транзистора.
где kд – коэффициент делителя напряжения.
где RБVT – входное сопротивления транзистора; β – коэффициент передачи по току.
Входное сопротивление каскада равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенных RБ1, RБ2, RБVT: Rвх=RБ1//RБ2// RБVT.
Выходное сопротивление каскада численно равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенным RЭ и Rн.
Емкость конденсаторов вычисляют по следующим формулам:
где ωн- нижняя граница частот.
Расчетная часть
Исходные данные к работе: Uп=5В, Rвх= 6кОм, Rвых= 2кОм, f=100Гц-10кГц.
3.1 Расчет сопротивления в цепи эмиттера:
По известному эмпирическому соотношению Rэ=(0.4..0.8)Rн. Пусть для нашей схемы Rэ=0.5Rн. Тогда из формулы для расчета Rвых = Rэ//Rн имеем:
При Rвых= 2кОм из формулы (3.1) определим Rэ и Rн:
Выбираем по ближайшему номинальному значению из ряда Е24.
Нашему выбору удовлетворяет резистор типа МЛТ-0,125 с параметрами для
3.2 Расчет входного сопротивления транзистора RБVT.
RБVT= (1+β)*Rэ (3.2)
Для современных транзисторов коэффициент β=20÷1000. Пусть β=50, то входное сопротивление составит:
RБVT= (1+50)*3= 153 кОм
3.3 Расчет сопротивлений делителя:
По формуле (2.2) определим напряжение на эмиттере в режиме покоя:
По формуле (2.3) определим напряжение на базе транзистора в режиме покоя:
Запишем уравнение для сопротивлений делителей:
Входное сопротивление каскада равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенных RБ1, RБ2, RБVT: Rвх=RБ1//RБ2// RБVT. Откуда получаем еще одно соотношение для RБ1и RБ2:
Решаем систему уравнений (3.3) и (3.4), получаем:
Из ряда Е24 номинальных значений сопротивлений выбираем для RБ1и RБ2:
Нашему выбору удовлетворяют резисторы типа МЛТ-0,125 (постоянные металлопленочные лакированные теплостойкие, 0.125 – номинальная рассеиваемая мощность) с допуском на номинальное сопротивление 10%:
3.4 Расчет емкостей для ФВЧ для входа и выхода.
Емкость конденсаторов определяется по формулам (2.6) и (2.7), которая составила:
Выбираем емкости из ряда Е12 с запасом емкости:
Для данной схемы выбираем керамические конденсаторы емкостью 0,47мкФ: К15-5 Н70 (К - конденсатор постоянной емкости, 15 - керамические высоковольтный на номинальное напряжение до 1,6 кВ, Н70 – Группа ТКЕ) ±5%.
3.5 Выбор транзистора.
Выбранный транзистор должен удовлетворять следующим условиям:
Данным условиям удовлетворяет транзистор МП11А(
Транзистор германиевый сплавной n-p-n усилительный низкочастотный с ненормированным коэффициентом шума на частоте 1 кГц.
Предназначены для усиления сигналов низкой частоты.
Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами.
Обозначение типа приводится на боковой поверхности корпуса.
Масса транзистора не более 2 г.).
Заключение
Выполнив цель нашей курсовой работы, мы освоили навыки расчета электронных схем усилителей на транзисторах, поняли основные принципы работы этих схем.
Основные выводы по проделанной работе:
Не обладая усилением по напряжению, каскад с ОК обеспечивает значительное усиление по току, следствием этого является значительное усиление по мощности.
Каскад с ОК имеет достаточно высокое входное сопротивление, аналогичное входному сопротивлению каскада о ОЭ. При этом его выходное сопротивление очень мало, т.е., он особенно удобен для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой. На практике мы можем значительно повысить входное сопротивление (обычно гораздо больше, чем в каскаде с ОЭ), используя принцип следящей связи, описанный при рассмотрении усилителей с ОЭ. Малое выходное сопротивление делает каскад с ОК идеальным при согласовании с емкостной нагрузкой.
В первой части был рассмотрен теоретический материал, разобрана функциональная схема усилительного каскада с ОК. Во второй части была рассмотрена электрическая принципиальная схема эмиттерного повторителя. В третьей части были произведены расчет и выборка элементов схемы.
Список литературы
1) С. Г. Прохоров, В. Г. Трусенев «Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе: учебно-методическое пособие – Казань: КГТУ, 2001г.
2)Пауль Хоровиц, Уинфилд Хилл «Искуство схемотехники» 5-е издание – М: «Мир»,1998 г
3) А.С. Касаткин, М.В. Немцов «Электротехника» учебник - М: «Академия», 2008г
4) Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982 г.
5) В.В. Афанасьев, М.П. Данилаев, И.И. Нуреев, А.И. Усанов «Схемотехника аналоговых электронных устройств» метод. пособие – Казань: КГТУ, 2006г.
6) http://ru.wikipedia.org – электронный ресурс
7) http://promelectron.ru – электронный ресурс
Приложение (электрическая принципиальная схема).