Как рассчитать коэффициент усиления транзистора?

Содержание

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОСТАВНОГО ТРАНЗИСТОРА

Теория работы составного транзистора (СТ)

Для получения основных параметров СТ следует задаться моделью самого биполярного транзистора (БТ) для низких частот на рис. 1а.

Рис. 1. Варианты схемы замещения БТ n-p-n

Первичных расчётных параметра всего два: коэффициент усиления по току и входное сопротивление транзистора. Получив их, для конкретной схемы по известным формулам можно рассчитать коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивления каскада.

Схемы замещения составных транзисторов Дарлингтона (СТД) и Шиклаи (СТШ) приведены на рис. 2, готовые формулы для расчёта параметров – в табл. 1.

Таблица 1 – Формулы для расчёта параметров СТ

Здесь rэ – сопротивление эмиттера, вычисляемое по формуле:

Рис. 2 Варианты составных транзисторов

Известно, что b зависит от тока коллектора (график зависимости указывается в даташите). Если ток базы VT2 (он же – эмиттерный или коллекторный ток VT1) окажется слишком мал, реальные параметры СТ окажутся намного ниже расчётных. Поэтому для поддержания начального коллекторного тока VT1 достаточно воткнуть в схему дополнительный резистор Rдоп (рис. 2в). Например, если в СТД в качестве VT1 использован КТ315 с минимальным необходимым током Ik.min , то дополнительное сопротивление будет равно

можно поставить резистор номиналом 680 Ом.

Шунтирующее действие Rдоп снижает параметры СТ, поэтому в микросхемах и иных навороченных схемах его заменяют источником тока.

Как видно из формул в табл. 1, усиление и входное сопротивление СТД больше, чем у СТШ. Однако последний имеет свои преимущества:

  1. на входе СТШ падает меньшее напряжение, чем у СТД (Uбэ против 2Uбэ);
  2. коллектор VT2 соединён с общим проводом, т.е. в схеме с ОЭ для охлаждения VT2 можно посадить прямо на металлический корпус устройства.

Практика работы составного транзистора

На рис. 3 показаны три варианта построения выходного каскада (эмиттерный повторитель). При подборе транзисторов надо стремится к b1

b4 . Различие можно компенсировать за счёт подбора пар по равенству коэффициентов усиления СТ b13

    Схема на рис. 3а имеет наибольшее входное сопротивление, но это худшая из приведённых схем: требует изоляцию фланцев мощных транзисторов (или раздельные радиаторы) и обеспечивает наименьший размах напряжения, поскольку между базами СТ должно падать

2 В, в противном случае сильно проявятся искажения типа «ступенька».
Схема на рис. 3б досталась в наследство с тех времён, когда ещё не выпускались комплементарные пары мощных транзисторов. Единственный плюс по сравнению с предыдущим вариантом – меньшее падение напряжения

1,8 В и больше размах без искажений.

  • Схема на рис. 3в наглядно демонстрирует преимущества СТШ: между базами СТ падает минимум напряжения, а мощные транзисторы можно посадить на общий радиатор без изоляционных прокладок.
  • На рис. 4 показаны два параметрических стабилизатора. Выходное напряжение для варианта с СТД равно:

    Поскольку Uбэ гуляет в зависимости от температуры и коллекторного тока, то у схемы с СТД разброс выходного напряжения будет больше, а потому вариант с СТШ предпочтительней.

    Рис. 3. Варианты выходных эмиттерных повторителей на СТ

    Рис. 4. Применение СТ в качестве регулятора в линейном стабилизаторе

    В линейных цепях можно использовать любые подходящие комбинации транзисторов. Автору встречалась бытовая советская техника, в которой использовались СТШ на парах КТ315+КТ814 и КТ3107+КТ815 (хотя принято /КТ361 и КТ3102/КТ3107). В качестве комплементарной пары можно взять C945 и A733, часто встречающиеся в старых компьютерных БП.

    Для коммутации электромеханических приводов и, тем более, в импульсных схемах следует использовать готовые СТ с нормированными параметрами включения и выключения, паразитными ёмкостями. Типичный пример – широко распространённые импортные комплементарные СТД серии TIP12х. Автор: Пентагрид.

    Обсудить статью ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОСТАВНОГО ТРАНЗИСТОРА

    Расчет основных характеристик транзистора

    Входное и выходное напряжение. Определение типа транзистора. Мощность, рассеиваемая коллектором транзистора. Расчет коэффициента обратной связи по напряжению. Вольтамперные характеристики транзистора. Расчет статического коэффициента передачи по току.

    РубрикаКоммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
    Видконтрольная работа
    Языкрусский
    Дата добавления13.05.2015
    Размер файла1,9 M

    Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

    Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

    Размещено на http://www.allbest.ru/

    Пользуясь справочными данными, приведите семейство входных и выходных характеристик БТ с ОЭ. В качестве независимых переменных используйте входное и выходное напряжение. Тип транзистора в соответствии с шифром КТ603B. Поясните поведение входных и выходных характеристик транзистора.

    По справочнику установите максимально допустимые параметры БТ: постоянный ток коллектора IК max; напряжение коллектор-эмиттер UКЭmax ; мощность рассеиваемую коллектором транзистора PК max. На семейство выходных характеристик нанесите границы области допустимых режимов работы.

    Задайтесь положением рабочей точки и, пользуясь характеристиками, рассчитайте для нее значения h-параметров БТ. На основании полученных числовых значений параметров рассчитайте параметры Т-образной эквивалентной схемы транзистора и изобразите ее.

    Справочные параметры заданного транзистора.

    постоянный ток коллектора IК max = 300 (мА)

    напряжение коллектор-эмиттер UКЭ max = 10 (В)

    мощность, рассеиваемая коллектором транзистора РК max = 0.5 (Вт)

    Изображаем входные и выходные характеристики заданного транзистора, проводим на ней соответствующие построения и выбираем рабочую точку А. Для точки А рассчитываем значения h-параметров.

    h11Э= (U//БЭ- U/БЭ)/ (I//Б- I/Б)= (1.03- 0.97)(B)/ (2.5-1.5)(мА)= 60 (Ом)

    – входное сопротивление в режиме короткого замыкания (КЗ) на выходе;

    h12Э -коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода (ХХ) по входу. Использование приводимых в справочниках вольтамперных характеристик транзисторов не позволяет точно рассчитать значение h12Э. Расчет коэффициента обратной связи по напряжению произведем при расчете параметров Т-образной схемы замещения транзистора;

    h21Э= (I//K- I/K)/ (I//Б- I/Б)= (112- 68)/ (2.5-1.5)= 44

    коэффициент передачи по току в режиме КЗ на выходе;

    h22Э= ?IК/?UКЭ = 17(мА)/ 8(В)= 2.125 (мСм)

    выходная проводимость в режиме ХХ по входу.

    Рис. 1.1 Вольтамперные характеристики транзистора

    На основании полученных числовых значений параметров рассчитываем параметры Т-образной эквивалентной схемы транзистора и изображаем ее.

    Рис.1.2 Т-образная схема замещения

    дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

    rЭ=?t/( Iок + Iоб)=0.025/(0.092+0.002)=0.266 (Ом)

    дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ

    r*к=1/ h22Э=1/0.002125=470 (Ом)

    коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ-

    дифференциальное сопротивление области базы-

    rб= h11Э-(1+ h21Э) ·rЭ=60-(1+44) ·0.266=48 (Ом)

    коэффициент обратной связи по напряжению-

    Рассчитайте модуль h21э и фазу ?h21э коэффициента передачи по току БТ в схеме с ОЭ на частоте f . В качестве исходных данных используйте значения предельной частоты коэффициента передачи по току в схеме с ОБ fh21б , статический коэффициент передачи по току в схеме с ОБ ? и частоты f.

    fh21б=14 МГц, ?=0.98, f=50 кГц

    Определим статический коэффициент передачи по току для включения с ОЭ:

    Тогда предельная частота коэффициента передачи по току для включения с ОЭ

    модуль коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ

    транзистор напряжение вольтамперный ток

    и фаза коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ

    Нарисовать схему одиночного усилительного каскада на БТ с ОЭ и эмиттерной стабилизацией и выполнить расчет элементов схемы, задающих рабочую точку. Исходные данные для расчета

    Тип транзистора КТ603B, UК0 =6 (В), IК0 =80 (мА)

    Выполнить графоаналитический расчет усилительного каскада в режиме класса «А». При расчетах использовать выходные статические характеристики транзистора.

    Рис 3.1 Схема усилительного каскада

    В рассматриваемом каскаде БТ работает в режиме класса «А», и положение рабочей точки задается примерно на середине нагрузочной прямой. Поэтому напряжение источника питания определяется из условия UИП = 2·UК0= 12 (В), а напряжение на резисторе RК определяется выражением URК =UИП -UК0= UК0=6 (В). Падение напряжения на резисторе RЭ рекомендуется выбирать из диапазона значений

    UЭ = (0.05..0.1)UИП.= 0.4 (В)

    Затем вычисляем сопротивления резисторов

    RЭ= UЭ/IЭ= URЭ/IК=0.4 В/80 мА=50 (Ом)и RК =URК/IК =6 В/80 мА=75 (Ом).

    Для обеспечения хорошей стабилизации рабочей точки ток делителя в цепи базы должен быть больше тока базы IД =(5..10)IБ . Напряжение на базе БТ определяется как UБ = UБЭ + UЭ . Напряжение UБЭ для германиевых транзисторов лежит в диапазоне 0.2…0.4 В, для кремниевых 0.6…0.8 В.

    С учетом связи между токами транзистора IБ = IК /ѓА=80/60=1.333 (мА)

    сопротивления резисторов делителя находим согласно выражениям:

    R2 = UБ /IД=0.7 В/7 мА=100 (Ом)

    R1 =(UИП -UБ)/(IД + IБ)?(UИП ?UБ )/IД =(12-0.7) В/8.33 мА=1350 (Ом)

    Читайте также:  Как рассчитать сечение плавкой вставки предохранителя?

    В результате графоаналитического расчета необходимо определить максимальную величину неискаженного сигнала: амплитуды тока и напряжения, мощности в нагрузке и КПД каскада.

    Графоаналитический расчет усилителя проводится в следующем порядке.

    По справочнику определяются его максимально допустимые параметры: постоянный ток коллектора IК max=300 (мА); постоянное напряжение коллектор-эмиттер UКЭmax=10 (В); постоянная рассеиваемая мощность коллектора PК max=0.5 (Вт). На семействе выходных характеристик транзистора, как показано на рис. 3.2, строится область допустимых режимов, ограниченная IК max, UКЭmax, PК max.

    Выполняется построение нагрузочной прямой, которая описывается уравнением IК =(UИП ?UКЭ)/RК. Прямая проводится через две точки, лежащие на осях координат: точку с координатами

    IК =0 , UКЭ = UИП=12 (В) на оси напряжений и точку с координатами

    IК =UИП /RК =12/75=160(мА), UКЭ = 0 на оси токов.

    Максимальные значения амплитуды полуволн неискаженного сигнала соответствуют пересечению нагрузочной прямой со статическими характеристиками в точке «С» – режим насыщения и в точке «В» – режим отсечки. Рабочая точка «О» находится на середине нагрузочной прямой.

    Максимальная мощность неискаженного сигнала определяется выражением:

    мощность, потребляемая от источника питания:

    P0 = UК0 ?IК0=6·80=480 (мВт)

    коэффициент полезного действия:

    Рис 3.2 Графоаналитический расчет параметров усилителя

    Нарисовать схему электронного ключа на БТ с ОЭ и построить его передаточную характеристику Uвых= f (Uвх) . если сопротивление нагрузки RН = 5RК.

    Тип транзистора, напряжение питания, сопротивление резистора в цепи коллектора использовать в соответствии с исходными данными и решением задачи № 1. Сопротивление резистора в цепи базы принять равным входному сопротивлению БТ RБ = h11э рассчитанному для рабочей точки задачи № 3

    Рис 4.1 схема электронного ключа на БТ

    Передаточная характеристика Uвых= f (Uвх)электронного ключа на БТ, принципиальная схема которого представлена на рис. 4.1, выполняется в следующей последовательности.

    Находим параметры эквивалентной схемы ключа, показанной на рис. 4.1:

    RKэкв=(RH· RK)/ (RK+RH)=(5/6)·75=62.5 (Ом)

    На семействе выходных характеристик БТ IК=f( UКЭ) (приIБconst) проводим нагрузочную прямую (рис. 4.2), описываемую уравнением IK=(UИПэкв- UКЭ)/RKэквчерез две точки, лежащие на осях координат: точку с координатами (IК = 0 ,UКЭ = UИП экв) на оси напряжений и точку с координатами (IK=UИПэкв/RKэкв ,UКЭ = 0) на оси токов.Находим точки пересечения нагрузочной прямой с кривыми, которые определяют токи базы IБiи выходные напряжения ключа Uвых i = UКЭ i (i = 1. N), где N – количество таких точек.

    Соответствующие входные напряжения вычисляются согласно выражению:

    Uвх i = UБЭ i + IБi ?RБ. RБ=60 (Ом)

    Полученные пары значений Uвых i и Uвх i позволяют построить передаточную характеристику ключа, представленную на рис. 4.3.

    Схемотехника усилителей: Типовой усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ и его анализ

    На рис. 5.1 приведена типичная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе (n)-(p)-(n)-типа, включенном с ОЭ (для транзистора (p)-(n)-(p)-типа все останется прежним, только полярность источника питания, а соответственно, и направления токов изменятся на противоположные). Проведем детальный анализ данной схемы для переменной составляющей входного сигнала. Будем предполагать режим малого сигнала, т.е. амплитуды переменных напряжений и токов малы, так что изменения токов и напряжений в транзисторе находятся в окрестности исходной рабочей точки по постоянному току, а связь между этими изменениями предполагается линейная (особенности малосигнального анализа схем с биполярными транзисторами описываются в разделе Проектирование и расчет транзисторных схем).

    Рис. 5.1. Схема усилительного каскада с ОЭ

    В первую очередь нас будут интересовать следующие параметры каскада:

    • входное сопротивление, (R_<вх>);
    • выходное сопротивление, (R_<вых>);
    • коэффициент усиления по току, (_sim);
    • коэффициент усиления по напряжнию, (_sim);
    • коэффициент усиления по мощности, (_sim).

    Для начала анализа составляется эквивалентная схема каскада для переменных составляющих токов и напряжений, в которой транзистор может быть представлен формальной схемой замещения или физической эквивалентной схемой (см. раздел Проектирование и расчет транзисторных схем). На рис. 5.2 приведена такая эквивалентная схема для нашего случая.

    Рис. 5.2. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ (рис. 5.1) для переменных составляющих токов и напряжений

    Здесь и далее везде предполагается, что верхняя рабочая частота примененного транзистора много выше максимально возможной частоты входного сигнала, а эквивалентные сопротивления фильтрующего, разделительных и, если он есть, блокировочного конденсаторов ничтожно малы в рабочей полосе частот, и они воспринимаются короткозамкнутыми для переменного сигнала.

    Направления переменных токов и напряжений, принимаемые при построении эквивалентной схемы за положительные, в принципе, могут выбираться произвольно. Но если мы хотим сохранить хоть какой-то физический смысл в этих обозначениях и упростить вычисления, то вынуждены придерживаться некоторой системы. Во-первых, отметим, что все выбираемые направления взаимосвязаны друг с другом, и, задавая положительное направление какого-либо одного параметра, мы уже не имеем особой свободы в выборе положительных направлений для остальных. Начинать удобнее всего с задания положительных направлений для переменных токов всех электродов транзистора. Их лучше всего принять совпадающими с направлениями постоянных токов на этих электродах. Положительное направление тока генератора ( beta _sim ), учитывающего усилительные свойства транзистора, должно совпадать с выбранным направлением тока коллектора. В качестве источника сигнала в рассматриваемой эквивалентной схеме выступает идеализированный источник переменного напряжения (_sim). Для этой цели можно было бы использовать и источник переменного тока. Выбор определяется удобством вычислений, и в дальнейшем мы будем использовать оба этих способа. Заметим, что направление входного источника напряжения на эквивалентной схеме задано так, чтобы направление входного тока совпало с выбранным положительным направлением тока базы. Вообще, направления всех напряжений в схеме автоматически определяются заданными направлениями токов.

    А теперь снова обратимся к эквивалентной схеме, которую мы построили, руководствуясь всеми описанными выше правилами (рис. 5.2). Видно, что направление входного напряжения (_sim) противоположно направлению напряжения на нагрузке (_sim). Это означает, что усилитель с ОЭ инвертирует проходящий через него переменный сигнал (т.е. изменяет его фазу на 180°). Здесь следует пояснить один момент. Сравнивая входной и выходной сигналы, мы имеем в виду их значения относительно земли схемы. Однако мы могли бы рассматривать выходной сигнал как сигнал между выходом каскада и плюсом (для схемы на рис. 5.1) источника питания. В этом случае инверсии как бы нет. Поэтому иногда говорят, что на нагрузке, подключаемой между выходом каскада и землей мы имеем инвертированный сигнал, а на нагрузке, подключаемой между выходом и плюсом питания (как резистор (R_К)) — неинвертированный. Но читатель должен понимать, что в данном случае речь идет только об изменении точки отсчета (задании нулевого уровня) для выходного сигнала. Ведя одинаковый отсчет входного и выходного сигналов (например, относительно земли схемы), мы будем всегда иметь инверсию, что и получило отражение в построенной эквивалентной схеме.

    Сопротивление (R_Б) отражает общее сопротивление входных цепей каскада переменному току и в нашем случае равно: (R_Б = R1 || R2 ) 1 .

    Входное сопротивление ((R_<вх>)) эквивалентной схемы на рис. 5.2 определяется параллельным включением цепи смещения базы (R_Б = R1 || R2) и входным сопротивлением транзистора (r_<вх>):

    В предположении отсутствия блокировочного конденсатора (C_Э) для переменного напряжения в точках схемы Б—Корпус можно записать:

    ( _sim = _sim r_б + _sim left( r_э + R_Э right) ).

    ( r_ <вх>= cfrac<_sim r_б + _sim left( 1 + beta right) left( r_э + R_Э right)><_sim > = r_б + left( 1 + beta right) left( r_э + R_Э right) ). (5.1)

    Таким образом, входное сопротивление (R_<вх>) транзисторного усилительного каскада по схеме с ОЭ определяется цепью делителя (R1) и (R2), коэффициентом передачи тока базы (beta) и сопротивлением ООС по переменному току в цепи эмиттера (R_Э). Если подключить конденсатор (C_Э), то общий импеданс цепочки автосмещения (Z_Э) определится по формуле:

    а в формуле для вычисления (R_<вх>) этот импеданс займет место величины (R_Э).

    Выходное сопротивление ((R_<вых>)) эквивалентной схемы на рис. 5.2 определяется при отключенной нагрузке по переменному току (R_Н) и нулевом входном сигнале, т.е. (_sim = 0) (следовательно, (beta _sim = 0)). Для усилительного каскада c ОЭ, как правило, выполняется (r_к^* gg R_К), поэтому можно считать (R_ <вых>approx R_К) или в общем случае

    (R_ <вых>approx R_К || r_к^*). (5.2)

    Коэффициент усиления по току ((_sim)). Входной ток усилительного каскада содержит две составляющие:

    (_sim) — ток делителя, определяющий часть мощности входного сигнала, рассеиваемой в цепи делителя;

    (_sim) — ток базы, определяющий часть мощности входного сигнала, затрачиваемой на управление коллекторным током.

    (_sim R_Б = _sim r_ <вх>Rightarrow cfrac<_sim ><_sim > = cfrac> Rightarrow _sim = _sim cfrac> );

    И далее получаем:

    где: ( gamma_ <вх>= cfrac> ) — коэффициент передачи тока входной цепи.

    Ток в нагрузке (R_Н) зависит от токораспределения в выходной цепи:

    С учетом ( _sim = _sim + _sim) , ( _sim = _sim cfrac ) записывается:

    ( _sim = cfrac<_sim left( R_К + R_Н right)> Rightarrow _sim = cfrac_sim > = gamma_ <вых>cdot _sim )

    где: ( gamma_ <вых>= cfrac) — коэффициент передачи тока выходной цепи.

    Коэффициент усиления по току эквивалентной схемы на рис. 5.2 определяется соотношением:

    ( _sim = cfrac<_sim><>_sim> = gamma_ <вых>gamma_ <вх>left( cfrac<_sim ><_sim > right) = gamma_ <вых>gamma_ <вх>beta) ; . (5.3)

    Максимальный коэффициент усиления по току (_sim = beta) достигается при условиях: (R_К gg R_Н) и (R_Б gg r_<вх>).

    Коэффициент усиления по напряжению ((_sim)). Переменное напряжение на выходе каскада (на нагрузке) определяется соотношением:

    С другой стороны, для переменного напряжения на входе усилительного каскада можно записать:

    Коэффициент усиления по напряжению схемы определяется как отношение выходного напряжения к входному:

    Для условия (R_Б gg r_<вх>) получаем:

    А если дополнительно предположить, что (RН to infty ) , то:

    И наконец, если учесть еще несколько часто имеющих место на практике соотношений: (r_э ll R_Э) и (r_б ll (1 + beta) R_Э), то в итоге получается простая расчетная формула:

    Коэффициент усиления по мощности ((_sim)). Перемножение соотношений, полученных ранее для коэффициентов усиления по току (_sim) и по напряжению (_sim), дает формулу для коэффицента усиления по мощности (_sim) схемы на рис. 5.2:

    ( = gamma_<вх>^2 cdot gamma_<вых>^2 cdot beta^2 cdot cfrac>). (5.6)

    Учет предыдущих допущений — (R_К gg R_Н), (R_Б gg r_<вх>), (r_э ll R_Э) и (r_б ll (1 + beta) R_Э) — дает приближенную формулу для вычисления коэффициента усиления по мощности:

    1 Знак (||) здесь и далее используется для обозначения параллельного соединения сопротивлений, т.е., если мы пишем (R = R1 || R2), то это означает, что полное сопротивление звена должно рассчитываться по формуле: (R = cfrac) .

    Характеристики биполярного транзистора

    Характеристики биполярного транзистора в основном нелинейные и выражаются сложными формулами, неудобными на практике. Поэтому проще и нагляднее использовать графики зависимости параметров транзистора между собой . Так же удобнее изображать измеренные показания параметров конкретного транзистора графическим способом.

    Статические характеристики биполярного транзистора c ОЭ

    Статические характеристики биполярного транзистора отражают зависимость между напряжениями и токами на его входе и выходе при отсутствии нагрузки.
    Эти характеристики будут разные в зависимости от выбранного способа включения транзистора. В основном применяются характеристики со схемами включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).

    Для снятия входных и выходных характеристик биполярного транзистора с ОЭ можно использовать схему как на рис.1 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

    Входные характеристики биполярного транзистора

    На рис.2 , для сравнения, показаны входные характеристики биполярного транзистора с ОЭ германиевого и кремневого транзисторов. Они выражают (при определенном напряжении между коллектором и эмиттером Uкэ ) зависимость базового тока Iб от приложенного между базой и эмиттером напряжением Uбэ . По форме они нелинейны и похожи на характеристики диодов, т.к. эмиттерный переход транзистора можно представить в виде диода включенным в прямом направлении.
    Для каждого типа транзисторов при увеличении коллекторного напряжения характеристики немного смещаются в сторону увеличения базового напряжения, но на практике это увеличение не учитывается.
    Из графиков еще видно , что в схеме с ОЭ базо-эмиттерное напряжение в германиевых транзисторах не превышает 0,4В, а в кремниевых – 0,8В. При превышении этих входных напряжений токи, проходящие через транзистор, могут стать недопустимо большими, которые приведут к пробою транзистора.

    Так как входная характеристика биполярного транзистора нелинейна, значит и входное сопротивление, зависящее от входного напряжения и тока, тоже нелинейно.
    Для примера определим базовый и коллекторный токи транзистора МП42Б с коэффициентом усиления β=50 ( рис.3 ) в разных точках характеристики.
    В точке А базовый ток Iб=0,02mA и тогда коллекторный ток равен
    Iк=β•Iб=50•0.02=1mA.
    Можно наоборот определить на графике по известному коллекторному току Iк=13mA базовое напряжение Uэб . Базовый ток при таком Iк равен:
    Iб=Iк/β=13/50=0,26mA.
    Значит Uэб=0,25В ( точка В ).
    На этой же характеристике так же можно найти входное сопротивление транзистора для постоянного и переменного (дифференциально динамического) токов.
    Сопротивление по постоянному току относится к постоянной составляющей сигнала, а по переменному току – к переменной составляющей сигнала. Входное сопротивление по переменному току имеет существенное значение для согласования между собой транзисторных каскадов.
    Сопротивление по постоянному току определяется по закону Ома:
    R_=U/I .
    В точке А на графике оно будет равно:
    Rвх_= Uбэ/Iб = 0,1/ 0,02•10ˉ³ = 5 кОм.
    Таким же образом находим сопротивление в точке Б – Rвх_= 1,6 кОм, и в точке В – Rвх_= 1 кОм.
    Сопротивление по переменному току находим тоже по закону Ома, но в только в дифференциальной форме:
    Rвх

    = ∆U/∆I ,
    где ∆U ) и ∆I ) – приращения напряжения и тока возле выбранной точки.
    Для примера определим сопротивление по переменному току в точке Б ) ( рис.4 ). Задаем приращения (желтый треугольник на рисунке):
    ∆Uбэ = 0,225-0,175 = 0,05 В,
    ∆Iэ = 0,16-0,06 = 0,1 mA.
    Тогда сопротивление по переменному току равно:
    Rвх

    =0,05/0,1•10ˉ³ = 500 Ом
    Аналогично вычислим сопротивление по переменному току в точке А – Rвх

    = 4кОм, а в точке В – 400 Ом. Обычно в схеме с ОЭ это сопротивление бывает в пределах от 500 Ом до 5 кОм.

    Выходные характеристики биполярного транзистора

    Выходные характеристики биполярного транзистора показывают зависимость коллекторного тока Iк ) от выходного напряжения Uэк ) при определенном базовом токе Iб .

    На рис.5 приведено семейство выходных характеристик транзистора.
    На графике видно, что выходные характеристики нелинейны, и что при увеличении напряжения Uэк от нуля до 0,4÷0,8 вольт коллекторный ток увеличивается быстро, а затем приращение уже мало и почти не зависит от величины Uэк , а зависит от базового тока. Отсюда можно сделать вывод: в основном базовый ток управляет коллекторным током.

    По выходной характеристике транзистора МП42Б ( рис.6 ) определим в точке Б коллекторный ток при Uкэ = 5,7 В и Iб = 40 μA. Он будет равен Iк = 4,5 mA.
    А для точки А ток базы при коллекторном напряжении Uкэ = 5,7 В и Iк = 8 mA будет Iб = 80 μA.

    Так же по выходной характеристике этого транзистора можно найти выходные сопротивления для постоянного и переменного токов.
    Сопротивление по постоянному току в точке Б будет равно:
    Rвых_= Uкэ/Iк = 5,7/4,5•10ˉ³ = 1,3 кОм.
    Сопротивление по переменному току при приращении:
    ∆U = 8-3 = 5 В; ∆I = 4,5-4 = 0,5 mA
    равно:
    Rвых

    = ∆U/∆I = 5/0,5•10ˉ³ = 10 кОм.
    Это cопротивление может достигать 50 кОм.

    Статистические характеристики биполярного транзистора с ОБ.

    Для снятия входных и выходных характеристик биполярного транзистора с ОБ используют схему как на рис7 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

    Входные характеристики биполярного транзистора

    Входные характеристики биполярного транзисторат с ОБ показывают, как зависит эмиттерный ток Iэ от напряжения между эмиттером и базой Uэб при выбранном напряжении Uкб ( рис.8 ) для транзисторов разной проводимости.
    Сравнив с входной характеристикой биполярного транзистора с ОЭ видим, что они похожи, но и имеют различия.
    Это, во-первых, при увеличении коллекторного напряжения ветви характеристик германиевых и кремниевых транзисторов смещаются влево, Во-вторых, ток эмиттера в этом случае намного больше чем базовый ток при включении с ОЭ и масштаб измерения по оси ординат уже не в микроамперах, а в милиамперах.
    По входным характеристикам биполярного транзистора с ОБ можно определить такие же параметры как и с ОЭ: зависимость Iэ от Uэб , входные сопротивления Rвх_ и Rвх

    .
    По параметрам входной характеристики ( рис.9 ) найдем входные сопротивления в точке А :
    ∆Uэб= 0,225-0,175 = 0,05 В,
    ∆Iэ = 16- 6 = 10 mA.
    Rвх_= Uбэ/Iэ = 0,2/10•10ˉ³ =20 Ом,
    Rвх

    = ∆Uэб/∆Iэ =0,05/10•10ˉ³ = 5 Ом.
    Вывод: входные сопротивления в схеме с ОБ на много меньше чем с ОЭ и обычно не превышают 100 Ом.

    Выходные характеристики биполярного транзистора

    На рис.10 показано семейство выходных характеристик биполярного транзистора МП42Б которые выражают зависимость коллекторного тока Iк от выходного напряжения Uбк при определенном эмиттерном токе Iэ . Они чем то похожи на выходные характеристики с ОЭ, но имеют и большие различия.
    Одним из отличий является то, что коллекторный ток протекает даже тогда, когда коллекторное напряжение равно нулю. Причина в наличии источника тока в цепи эмиттера.
    Второе отличие – выходные характеристики в схеме с ОБ почти горизонтальны, а это значит, что выходное сопротивление больше чем при ОЭ и может достигать по переменному току до 2 МОм.

    Статические характеристики прямой передачи по току биполярного транзистора

    По характеристике прямой передачи транзистора по току, которая представляет собой связь между входным и выходным токами, можно определить коэффициенты усиления по току в схеме с ОЭ и ОБ как на рис.11
    .Коэффициент усиления по току с ОЭ равен:
    β=∆Iк/∆Iб
    где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
    ∆Iб=30-20=10 μА.
    β=0,8/10•10ˉ³= 80.
    Коэффициент усиления по току с ОБ равен:
    α=∆Iк/∆Iэ
    где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
    ∆Iэ=3-2=1 mA;
    α=0,8/1=0,8.
    Можно сделать вывод, что при включении транзистора с ОБ усиление по току почти не происходит.

    Расчет элементов однокаскадного усилителя

    Федеральное агентство по образованию РФ

    Уфимский государственный авиационный технический университет

    По дисциплине “Электроника”

    Выполнил: студент группы АТПП-304

    Кумертау 2010 г.

    1. Основные понятия

    1.2 Усилители на биполярных транзисторах

    1.3 h-параметры биполярных транзисторов

    1.4 Параметры транзистора П14

    2. Расчёт параметров и описание принципиальной схемы устройства

    2.1 Выбор рабочей точки

    2.2 Определение коэффициентов усиления транзистора П 14

    2.3 Рассчитаем входное и выходное сопротивления транзистора П 14

    2.4 Расчёт элементов усилителя

    2.5 Расчет емкостей конденсаторов

    Список используемой литературы

    В данном курсовой работе произведен анализ различных схем термостабилизации. В процессе проектирования произвели аналитический расчёт усилителя и вариантов его исполнения.

    В работе произведен расчет элементов однокаскадного усилителя по схеме с общей базой и рассчитать коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности, входного и выходного сопротивления.

    В результате расчета был разработан усилитель низкой частоты с заданными требованиями и номиналами элементов, который можно использовать для практического применения.

    Полученные данные могут использоваться при создании реальных усилительных устройств.

    1. Основные понятия

    При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических и неэлектрических величин, приеме радио сигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители.

    Усилитель – устройство, осуществляющее увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Входной сигнал является как бы шаблоном, в соответствии с которым регулируется поступление энергии от источника к потребителю.

    В современных усилителях, широко применяемых в промышленной электронике, обычно используют биполярные и полевые транзисторы, а в последнее время – интегральные микросхемы. Усилители на микросхемах обладают высокой надежностью и экономичностью, большим быстродействием, имеют чрезвычайно малые массу и размеры, высокую чувствительность. Они позволяют усиливать очень слабые электрические сигналы.

    Упрощенно усилитель (усилительный каскад) можно представить в виде блок-схемы (рис.1.):

    Данный усилитель содержит нелинейный управляемый элемент, как правило биполярный или полевой транзистор, потребитель и источник электрической энергии. Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения (у си ленный сигнал). Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента, а следовательно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока. Выходное напряжение снимается с управляемого или потребителя. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону задаваемому входным сигналом.

    Основными параметрами усилительного каскада являются коэффициент усиления по напряжению Ku=Uвых/Uвх, коэффициент усиления по току КI=Iвых/Iвх и коэффициент усиления по мощности

    Обычно в усилительных каскадах все три коэффициента усиления значительно больше единицы. Однако в некоторых усилительных каскадах один из двух коэффициентов усиления может быть меньше единицы, т.е. КU 12 (12…45) **

    П13Б, П14, П14А, П15 > 20

    Коэффициент обратной связи по напряжению, f = 1 кГц

    П13, П14, П15 5х10-3

    П13А, П13Б 6х10-4

    Емкость коллектора на частоте 465 кГц 50 пФ

    Емкость коллектора при Uкб = 0,1 В

    Коэффициент шумов в схеме ОЭ при Uк = – 1,5В, Iэ = 0,5мА, f = 1 кГц

    П13, П13А, П15, П14 – 33 дБ

    П13Б, П14Б – 12 дБ

    Выходная проводимость на входе при холостом ходе на частоте 1000 Гц

    П13, П14, П15 – 3,3 мксим

    П14А, П14Б, П15А – 2,5 мксим

    Тепловое сопротивление корпуса 0,5°С/мВт (0,2°С/мВт) **

    * ранние выпуски транзисторов

    **последние выпуски транзисторов

    Предельные эксплуатационные данные

    Напряжение коллектор-база при Тк Страницы: 1 2

    Похожие рефераты:

    Разработка и расчет основных характеристик усилительных каскадов. Сущность и применение графоаналитического метода. Вычисление параметров эквивалентных схем биполярных и полевых транзисторов. Нелинейные искажения и анализ данных в усилительном каскаде.

    Основные понятия, назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с общим эмиттером. Порядок расчета транзисторного усилителя, его применение в системах автоматики и радиосхемах. Графоаналитический анализ каскада по постоянному току.

    Характеристики используемого транзистора. Схема цепи питания, стабилизации режима работы, нагрузочной прямой. Определение величин эквивалентной схемы, граничной и предельных частот, сопротивления нагрузки , динамических параметров усилительного каскада.

    Транзисторы– полупроводниковый прибор, пригодный для усиления мощности. Принцип действия n–p–n транзистора в режиме без нагрузки. Усиление каскада с помощью транзистора. Схемы включения транзисторов и работы с общим эмиттером и с общим коллектором.

    Рассмотрение правил включения транзистора по разным вариантам схем – с общим эмиттером, общей базой, общим коллектором. Описание особенностей работы усилительных каскадов в области высоких и низких частот. Представление схемы дифференциального каскада.

    Расчёт параметров усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе. Схема транзисторного усилителя низкой частоты. Выбор биполярного транзистора, расчет элементов схемы. Аналитический расчёт параметров усилительного каскада на полевом транзисторе.

    Использование для усиления узкополосных сигналов так называемых резонансных усилителей (ламповых и транзисторных). Разработка принципиальной электрической схемы усилителя сигнала с амплитудной модуляцией. Расчет характеристики, графика выходного сигнала.

    Расчет каскада предварительного усиления, работающего на входную цепь следующего потока, выполненного на транзисторе с общим эмиттером. Компьютерное моделирование и исследование схемы, построение временных диаграмм с помощью программы “Microcap”.

    Устройство плоскостного биполярного транзистора. Концентрация основных носителей заряда. Схемы включения биполярных транзисторов. Статические характеристики биполярных транзисторов. Простейший усилительный каскад. Режимы работы и область применения.

    Принципиальная схема предварительного каскада с источником сигнала и последующим каскадом. Выбор типа транзистора, исходя из заданного режима его работы и частоты верхнего среза усилителя. Расчет параметров малосигнальной модели биполярного транзистора.

    Методика расчета двухкаскадного трансформаторного усилителя мощности, выполненного на кремниевых транзисторах структуры p-n-p, и его КПД. Особенности составления эквивалентной схемы усилителя для области средних частот с учетом структуры транзисторов.

    Определение параметров работы двухкаскадного усилителя тока с непосредственной связью, выполненного на германиевых (Ge) транзисторах структуры n-p-n по заданным показателям. Основные расчеты показателей преобразования напряжения, коэффициентов усиления.

    Что такое электронный усилитель. Резистивный каскад на биполярном транзисторе, его простейшая схема. Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером. Схема, проектирование резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения.

    Составление эквивалентной схемы усилителя для области средних частот, расчет его параметров. Определение сопротивления резистора, мощности, рассеиваемой им для выбора транзистора. Вычисление полного тока, потребляемого усилителем и к.п.д. усилителя.

    Расчет параметров усилителя, на вход которого подается напряжение сигнала с заданной амплитудой от источника с известным внутренним сопротивлением. Определение КПД усилителя с общей параллельной отрицательной обратной связью по току и полного тока.

    Исследование статических характеристик биполярного транзистора. Наружная область с наибольшей концентрацией примеси. Схема подключения к источникам питания. Дифференциальное входное сопротивление. Дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер.

    Виды и примеры применения составных транзисторов. Усилительные каскады с динамическими нагрузками. Свойства каскадного соединения. Амплитудно-частотные и переходные характеристики многокаскадных усилителей. Выбор числа каскадов импульсных усилителей.

    Расчет элементов усилителя напряжения низкой частоты по заданным параметрам. Расчет усилительного каскада на транзисторе структуры p-n-p, включенного по схеме с ОЭ по постоянному току (1-ый и 2-ой каскад). Методика определения емкостей элементов.

    Схема однокаскадного усилителя с емкостной связью на биполярном транзисторе с общим эмиттером. Расчет каскада по постоянному току и в области высоких частот. Графики статической, динамической линий нагрузки. Стандартные номинальные значения сопротивлений.

    Критерии выбора типа транзистора для усилительного каскада (напряжение между коллектором и эмиттером). Расчет режима работы по постоянному и переменному току, значений резисторов, конденсаторов, индуктивностей. Ознакомление с программой Micro Cap 8.

    ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

    В тех случаях, когда целью проверки является отбор лучших образцов триодов из данной партии, процесс испытания состоит в измерении обратного тока коллектора (рис. 1) и определении коэффициента усиления β (рис. 2). Коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме, с общим эмиттером, находят по формуле

    Рис. 1. Схема соединения транзистора с источником питания и миллиамперметром при измерении обратного тока коллектора

    Рис. 2. Схема для определения коэффициента усиления по току β

    β = (R/U)Ik,

    где — R сопротивление резистора, кОм, U — напряжение источника питания (например, батареи для карманного фонаря), В, I —ток коллектора, мА.

    Величины и и обычно выбирают в пределах R = 5-90 кОм и U=1,5-9 В.

    Для облегчения вычисления коэффициента β сопротивление резистора и напряжение источника питания и подбирают такими, чтобы их отношение было равно целому числу, кратному десяти, например, 10, 20, 30 и т. д.

    При выборе величин R, Rогр и и учитывают то, что ток

    Ik = β пр U(B) / R(кОм),

    где β пр — предполагаемое максимальное значение β , не должен превышать допустимый для данного типа транзистора максимальный ток коллектора, а сопротивление резистора Rогр, ограничивающего ток через миллиамперметр в случае соединения коллектора с эмиттером, должно быть приблизительно равно U/7I, где U — напряжение источника питания в вольтах, I — ток полного отклонения миллиамперметра в амперах.

    При отсутствии миллиамперметра измерить коэффициент усиления β маломощного транзистора можно с помощью омметра. Выполняют это так.

    Соединяют между собой проводники омметра и устанавливают стрелку прибора на нулевую отметку шкалы.

    Затем собирают схему, приведенную на рис. 3,а, переводят ползунок переключателя в положение 3—1 и замечают первое показание омметра Ω1 . После этого переводят ползунок в положение 3—2 и устанавливают движок резистора R2 в такое положение, при котором показание омметра возрастает на 1000 Ом, то есть становится равным Ω1 + 1000.

    Рис. 3. Схема соединения приборов при измерении коэффициента усиления по току β с помощью омметра

    Выполнив эти измерения, отключают омметр, измеряют сопротивление резистора R2 и вычисляют искомую величину по приближенной формуле:

    В тех случаях, когда проверке усилительной способности подвергается партия транзисторов, желательно упростить процесс измерения. Этого можно достичь, если ввести в участок 2—4 схемы второй резистор R1 (рис. 3,6).

    В этом случае разность сопротивлений участков 2—4 и 1—4 равна (R2 + R1) — R1 = R2 и формула для вычисления β принимает простой вид:

    β = 0,001 R2

    Из последнего выражения нетрудно видеть, что схема рис. 3,б позволяет определять коэффициент усиления β путем простого считывания его со шкалы резистора R2. Для этого необходимо только отградуировать резистор в десятках килоом.

    Простым и надежным способом проверки транзисторов, а также методом отбора лучших образцов из имеющихся партий триодов является испытание полупроводникового триода в макете какого-нибудь генератора. Если с вводом транзистора в схему и включением источника питания генератор сразу же начинает работать, то испытываемый транзистор считают исправным. О качестве его судят по показанию вольтметра переменного тока, присоединенного к коллектору-эмиттеру нижнего транзистора через конденсатор емкостью 4700-6800 пФ. Чем больше угол отклонения стрелки прибора, тем лучше проверяемый транзистор.

    И, наконец, несколько слов о таком дефекте транзистора, как «плавание»

    «Плавание» полупроводникового триода определяют наблюдением за стрелкой омметра, присоединенного к эмиттеру и коллектору проверяемого транзистора. Если стрелка не устанавливается против какой-нибудь отметки шкалы, а меняет свое положение, то триод считают «плывущим».

    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Загрузка ...
    Adblock
    detector