Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

КафедраАвтоматизации 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 группы11-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

КафедраАвтоматизации 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.

Усилителяминазываются устройства, в которых сравни­тельно маломощный входной сигналуправляет передачей значительно большей мощности из источника питанияв 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 Ек>> Uкэн, где Uкэн - обозначено на выходной характеристике транзистора (рис. 2.), связан с коллекторным электродом транзистора че­рез сопротивление нагрузки Rк. Входной сигнал подается на базу транзистора (напряжение ибэ и ток iб). Построим зависимость Uкэ f(Uбэ)> называемую передаточной харак­теристикой каскада.

Рис. 2. Выходные характеристики биполярного транзистора с ОЭ.

 

При увеличении напряжения ибэ растет ток iБ (см. входную характеристику транзистора рис. 3 при икэ ≥ Uкэн), растет и ток коллектора: iK =(β+1)IКБ0 + β iб..

 

 

Рис. 3. Входные характеристики биполярного транзистора с ОЭ.

 

В результате увеличивается падение напряжения на резисторе Rк, уменьшается напря­жение икэ = Ек - iк R(рис. 4). При достижении напря­жения икэ = Uкэн дальнейшее увеличение ибэ не вызы­вает изменений напряжения икэ итока iк,протекающего через резистор Rк. В этом режиме к Rк приложено напря­жение Ек - Uкэн , и поэтому ток коллектора iк = Iкн =( Ек - Uкэн)/ Rк .

 

Рассмотрение передаточной характеристики каскада по­казывает, что при изменении напряжения ибэ или тока iБ в цепи маломощного источника сигнала можно изменить ток iк и напряжение икэ в цепи более мощного источника Ек. Однако коллекторное напряжение можно изменять лишь в пределах Uкэникэ ≤ Ек,а ток — в пределах IКБоiкэ ≤ (Ек - Uкэн)/ Rк (участок 11 на передаточ­ной характеристике). При отрицательных ибэ и на участ­ке 1 через транзистор протекает только малый неуправляе­мый ток коллекторного перехода, а на участке 111 икэ = Uкэн и транзистор теряет свойства усилительного элемента. Еще один вывод, который можно сделать из анализа передаточной характеристики рассмотренного усилительного каскада: при увеличении ибэ (участок II) икэ 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 uвх(t) и форма кривой напряжения на коллек­торе икэ (t) в различных режимах (классах усиления). При работе в классе усиления Вибэ = ивх.Нелинейность передаточной характеристики каскада приводит к тому, что в классе В на выход передается сигнал только одной поляр­ности: ивх > 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 Ана вход усилителя од­новременно со входным сигналом uBX(t) подается также по­стоянное напряжение смещения, так что ибэ = ивх + Uсм(см. временные диаграммы сигналов на рис. 4). Благода­ря смещению в кривой напряжения ибэ(t) входной сигнал воспроизводится полностью, практически без искажений формы, так как значения ибэ постоянно соответствуют участку 11 передаточной характеристики. Режим работы усилителя, когда включены источники питания и подано смещение, но ивх= 0, называется режимом покоя. В этом режиме ибэ = Uбэп и iб= Iбп, а икэ = Uкэп. При приложе­нии отрицательного (или положительного) напряжения ивх уменьшатся (или соответственно увеличатся) токи iби iк и падение напряжения на Rк, в результате увеличится (уменьшится) напряжение щэ: икэ = Uкэп + Δ Uкэ где Δ Uкэ = ивых — 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 Ркв режиме покоя от напряжения смеще­ния Uбэп Эта зависимость показывает, что выбор Uбэп 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 RЭ = 0. Схема содержит знакомые нам компоненты: усилительный эле­мент— транзистор, источник питания Ек. сопротивление коллекторной нагрузки Rк. На схеме появилось сопротив­ление коллекторной нагрузки RHt к которому приложено напряжение ивых, а входная цепь условно представлена в виде последовательного включения двух источников на­пряжения ивх и Uсм.

На рис. 6 представлены временные диаграммы напря­жений и токов в каскаде с ОЭ. При ивх = 0 в режи­ме покоя через транзистор протекают постоянные токи IБп, IКп, IЭп и к базе и коллектору транзистора приложены постоянные напряжения UБЭп и UБЭп ≠ 0.

Рис. 5. Каскад с ОЭ

 

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

 

Для того что­бы в режиме покоя Uвых = 0, в цепь нагрузки RН необходи­мо ввести источник постоянного компенсирующего напряже­ния Uком п = UКЭп. При приложении входного напряжения токи и напряжения в транзисторе получают приращения UБЭ = ивх, ΔIк, ΔIЭ, ΔUКЭ =Uвых, 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

Iк = f(икэ)при IБ = const. (1)

 

При графическом анализе линейная часть схемы описыва­ется уравнением в тех же координатах (iк, икэ).

 

 

Рассмотрим режим покоя. Допустим, что в цепь на­грузки включен источник компенсирующего напряжения Uкомп = UКЭ п. Тогда в режиме покоя ток в нагрузочную цепь (Rн, Uкомп) не ответвляется и уравнение линейной час­ти схемы записывается в виде

iк = (Ек - икэп)/Rк (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 iк = 0, икэ = Еки при iк = Ек/Rк. Через две найден­ные точки проводим прямую линию. Зададим ток базы в режиме покоя IБп, тогда пересечение линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при iБ = IБп будет соответствовать решению системы урав­нений (1), (2)—точке покоя 0 (UКЭ п, IКп).

В общем случае условие Uкомп = UКЭп не выполняется и ток кол­лектора ответвляется в цепь Rн. Заменим в этом случае линейную часть схемы (Ек, Rк, Uкомп, Rн) эквивалентными сопротивлениями и ЭДС Uэкв, Rэкв, найденными согласно теореме об эквивалентном генераторе. Можно убедиться, что Rэкв = RКRН /( RК + RН), a EЭKB=[ RКRН /( RК + RН)](Uкомп/Rн + EK/Rк). Эти значения Еэкв, Rэкв подста­вим вместо RK и Ек 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 сиг­налапроизводится аналогично. Рассмотрим контур прохож­дения тока ΔIк через линейную часть схемы. Этот ток мо­жет пройти через RK и ЕК, а также через Uкомп и Rн. По­скольку сопротивление источников постоянного напряжения для приращений тока (т. е. их сопротивление для перемен­ной составляющей тока) равно нулю, уравнение линейной части схемы имеет вид

 

ΔIк = ΔUкэ(RK + RН)/( RK RН) (3)

 

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

При увеличении iб рабочая точка каскада кэ, iк) перемещается вверх по прямой ОА, ток iк растет, икЭ па­дает. При уменьшении тока базы рабочая точка перемеща­ется по прямой ОВ, ток iк падает, икэ растет. Прямая АОВ — это траектория рабочей точкикаскада

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