Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Данную схему (рис. 5) называют также эмиттерным повторителем, вследствие того, что ее выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора, близко по величине к входному напряжению(U_н=U_вх— U_бэ»U_вх) и совпадает с ним по фазе.

Резистор R_э в схеме выполняет те же функции, что и R_к в схеме с ОЭ - создание U_вых за счет протекания I_э, управляемого по цепи базы. R₁, R₂ задают режим покоя каскада, часто R₂ не вводят для того, чтобы увеличить входное сопротивление.

Высокое R_вх — основное достоинство схемы с ОК, поэтому схему с ОК применяют для согласования с источником сигнала, обладающим высоким внутренним сопротивлением.

Для оценки К_U примем R_вх>>R_г, а R_вх»(1+b)(R_э||R_н) при этом К_U»1, точно К_U<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. К_U»1, то и К_P»К_I.

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 I_{э пок} – ток эмиттера при нулевом входном сигнале U_вх; U_п – напряжение питания.

где U_{э пок} – выходное напряжение эмиттерного повторителя при нулевом напряжении U_вх.

где U_{б пок} – входное напряжение транзистора.

где k_д – коэффициент делителя напряжения.

где R_Б^VT – входное сопротивления транзистора; β – коэффициент передачи по току.

Входное сопротивление каскада равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенных RБ1, RБ2, R_Б^VT: R_вх=RБ1//RБ2// R_Б^VT.

Выходное сопротивление каскада численно равно эквивалентному сопротивлению параллельно соединенным RЭ и Rн.

Емкость конденсаторов вычисляют по следующим формулам:

где ω_н- нижняя граница частот.

 

Расчетная часть

Исходные данные к работе: U_п=5В, R_вх= 6кОм, R_вых= 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 R_вых = Rэ//Rн имеем:

При R_вых= 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 R_Б^VT.

R_Б^VT= (1+β)*Rэ (3.2)

Для современных транзисторов коэффициент β=20÷1000. Пусть β=50, то входное сопротивление составит:

R_Б^VT= (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, R_Б^VT: R_вх=RБ1//RБ2// R_Б^VT. 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).