Главная страница » Электрика в театре » Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты

1 2 3 4 ... 19

проектирование транзисторных-усилителей низкой-частоты

Транзистор имеет три электрода. Эмитирующим электродом является эмиттер, управляющим - база, управляемым - коллектор.

Возможны три способа включения транзистора, при которых может иметь место усиление сигнала: с общим эмиттером, с общей базой и с общим коллектором. Эти способы включения изображены на рис. l.i; для упрощения источники питания здесь не показаны.

Рис. 1 1 Способы включения транзистора: а) с общей базой; б) с общим эмиттером; в) с общим коллектором

Свойства усилительного каскада зависят от способа включения транзистора, поэтому при проектировании усилителя способ включения транзисторов выбирают сообразно с предъявленными к каскаду требованиями.

Включение с общей базой. Как видно из рис. l.la при включении с общей базой источник сигнала включают в провод эмиттера, нагрузку - в провод коллектора, а базу соединяют с общим проводом сигнала и нагрузки. Этот способ аналогичен включению электронной лампы с общей сеткой.

Коэффициент усиления напряжения хорошего транзистора

Коб= -Г7~ при включении с общей базой н правильно выбранном сопротивлении нагрузки может достигать нескольких тысяч. Козф-

фициент усиления тока К

при таком включении меньше



единицы (обычно лежит в пределах от 0,6 до 0,95) и мало изменяется при изменении режима работы, изменении температуры и замене транзистора.

Поскольку транзистор дает при включении с общей базой . только усиление по напряжению, коэффициент усиления мощности сигнала /Смоб , равный произведению коэффициента усиления тока на коэффициент усиления напряжения, сравнительно невелик. Усиление каскада с транзистором, включенным с общей базой, при замене транзистора, его старении и изменении температуры изменяется значительно меньше, чем при других способах включения.

Входное сопротивление транзистора при включении с общей базой Рвхоб - наименьшее из всех способов включения (от десятых долей ома для мощных транзисторов до десятков ом для маломощных) и растет при увеличении нагрузки. Выходное сопротивление при включении с общей базой Р вых об- наибольшее из всех -способов включения транзистора (от тысяч ом для мощных транзисторов до мегом для маломощных) и растет с повышением сопротивления источника сигнала. При таком включении транзистор не меняет полярности усиливаемых сигналов; коэффициент гармоник Кг при включении с общей базой обычно не превосходит нескольких процентов при полном использовании транзистора.

Вследствие очень низкого входного и высокого выходного сопротивлений включение с общей базой редко используют в каскадах предварительного усиления, так как при этом необходимо применение трансформаторной межкаскадной связи с предыдущим каскадом. В каскадах мощного усиления включение с общей базой применяют довольно часто вследствие небольших нелинейных искажений.

Включение с общим эмиттером. При включении с общим эмиттером (рис. 1.16) источник сигнала включен в провод базы, нагрузка - в провод коллектора, а эмиттер соединен с общим проводом источника сигнала и нагрузки. Этот способ включения аналогичен включению электронной лампы с общим катодом.

Транзистор, включенный с общим эмиттером, дает усиление как тока, так и напряжения сигнала; усиление мощности сигнала здесь наибольшее из всех способов включения.

Коэффициент усиления напряжения Коз при оптимальной нагрузке здесь лишь немного ниже, чем при включении с общей базой. Коэффициент усиления тока при включении с общим з.митте-ром /Стоэ может достигать ста и более раз, но сильно изменяется при изменении режима работы, температуры и замене транзистора.

Входное сопротивление транзистора Рвхоэ здесь значительно выше, чем при включении с общей базой (от нескольких ом или десятков ом для мощных транзисторов до тысяч ом для маломощных), и падает с увеличением сопротивления нагрузки.



Выходное же сопротивление /?выхоэ ниже, чем при общей базе (от сотен ом для мощных транзисторов и до десятков килоом для маломощных), и понижается с возрастанием сопротивления источника сигнала. Изменение входного и выходного сопротивлений при изменении сопротивления нагрузки и сопротивления источника сигнала может достигать нескольких раз.

При включении с общим эмиттером транзистор меняет полярность усиливаемого сигнала; коэффициент гармоник при таком включении максимален и может достигать при полном использовании транзистора 5-20%.

Вследствие наибольшего усиления мощности сигнала включение с общим эмиттером является наиболее употребительным в транзисторных каскадах предварительного усиления и часто применяется в каскадах мощного усиления.

Включение с обидим коллектором (эмиттерный повторитель). При включении с общим коллектором (рис. Lie) источник сигнала включен в провод базы, нагрузка - в провод эмиттера, а коллектор соединен с общим проводом. Этот способ аналогичен включению электронной лампы с общим анодом.

Коэффициент усиления напряжения /С„к при включении с общим коллектором меньше единицы (обычно лежит в пределах от 0,7 до 0,99). Коэффициент усиления тока /(ток при таком включении немного выше, чем при включении с общим эмиттером, и так же, как и при включении с общим эмиттером, сильно изменяется прн изменении релшма работы, температуры и замене транзистора. Вследствие отсутствия усиления напряжения коэффициент усиления мощности при общем коллекторе К^ок так же, как и при включении с общей базой, оказывается небольшим.

Входное сопротивление при включении транзистора с общим коллектором У?пхок - наибольшее из всех способов включения (от десятков ом для мощных транзисторов до сотен килоом для маломощных) и очень сильно возрастает при увеличении сопротивления нагрузки. Выходное сопротивление /?вычок при таком включении - наименьише (от десятых долен ома для мощных транзисторов до десятков килоом для маломощных) и очень сильно растет при увеличении сопротивления источника сигнала. При включении с общим коллектором транзистор не меняет полярности усиливаемого сигнала; коэффициент гармоник /с, при общем коллекторе минимален и при полном испольювании транзистора и правильном выборе режима обычно не превышает 1%

Включение с общим коллектором, вследствие малого усиления мощности сигнала, применяют лишь в особых случаях; в каскадах предварительного усиления его используют при необходимости получения высокого входного сопротиплення каскада и уменьшения его входной емкости. В каскадах моииюго усиления такое включение применяют при необходимости получения малого выходного сопротивления каскада или малого коэффициента гармоник.



1.2. Статические характеристики транзисторов

Для расчета транзисторного усилительного каскада необходимо иметь два основных семейства статических характеристик транзистора: семейство выходных статических характеристик, представляющих собой зависимость/вых =/(tвых) для различных значений входного тока, и семейство входных статических характеристик, представляющих зависимость /вх=/(вх) Для различных значений напряжения на выходном электроде.

Выходные и входные статические характеристики транзистора различны для различных схем включения, так как в них входными и выходными служат токи и напряжения на различных электродах транзистора. Поэтому для трех различных способов включения транзистора (с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) существуют три семейства выходных и три семейства входных статических характеристик.

Однако на практике при расчете транзисторных усилительных каскадов применяют только два семейства выходных и два семейства входных статических характеристик.

При расчете каскада с транзистором, включенным с общей базой, используют выходные и входные характеристики для включения с общей базой, т. е. зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и базой /к = /(Ь'кб) для различных значений тока эмиттера h и зависимость тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой /э =J{Uu) для различных значений напряжения между коллектором и базой Uki,-

Семейство выходных статических характеристик маломощного транзистора предварительного усиления типа П16, снятых по схеме рис. 1.2, для включения с обнхей базой и температуры транзи-


Рис 1 2 Схема для снятия выходных характе-рнстнк /к =/{(кб ) при /э =const для тран-знстора, включенного с общей базой

стора, равной 20°С, приведено на рис. 1.3. Здесь видны лпнейность выходных характеристик, идущих почти параллельно оси напряжения, и одинаковые расстояния между ними. Кроме того, при таком ВКЛЮЧС1ПП1 резкое падение характеристик начинается левее начала координат. Выходное сопротивление транзистора току



сигнала в рабочей точке /?аыхоб представляет собой отношение

при /э = const, взятые по касательной, к статической харак-

теристике'). Так как характеристики идут почти параллельно горизонтальной оси, то по характеристикам, имеющимся в справочниках, обычно не удается сколько-нибудь точно определить вы ходное сопротивление транзистора.

Отношение -~ при Ue =const представляет собой величину

коэффициента усиления по току а при сопротивлении нагрузки, равной нулю, т. е при коротком замыкании выходной цепи.

Пример 1.1. Определим Явых об и а по выходным характеристикам транзн стора П16, включенного с общей базой, для выбранной рабочей точки (рис 1 А)

/?вых об

25-5 0,2 . 10-3 9,7 10-3 (20-10) 10-3

= 100 000 ом.

= 0,97

50 40 30 20

10 О

1и,М

AlfO,Zm

Рис 1 3 Выходные характеристики транзистора П16 для включения с общей базой

Семейство входных характеристик транзистора П16, снятых по схеме рис. 1.4, для включения с общей базой приведено па рис. 1.5 Эти характеристики в области малых значений входного напряжения Use очень нелинейны, но становятся почти прямолинейными при увеличении Uae. Кроме того, характеристики для различных значений напряжения кб ог нуля до максимального рабочего очень близки друг к другу и для практических расчетов можно пользоваться одной входной статической характеристикой, взятой для среднего рабочего напряжения на коллекторе. Поэтому для практических расчетов можно пользоваться приводимой в справочнике входной характеристикой при /кб =5 о.

) Для сопротивления источника сигнала, близкого к бесконечногти



Входное сопротивление транзистора току сигнала в р.абочей

точке') вх об представляет собой отношение -гт~ Р кб =

= const; Д^/эб и А/э определяют по касательной к характеристике, проведенной через рабочую точку.

пример 1.2. Определим ?вхоб по входным характеристикам транзистора П16, включенного с общей базой, для выбранной рабочей точки О (рнс 1 5).

в\ об-

0,33-0,13 13 . 10-3

При расчете каскада с транзистором, включенным с общим эмиттером, используют выходные и входные характеристики для включения с общим эмиттером, т. е. зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмитте-

Рнс 1 4 Схема для снятия входных \арактеристик /э=?(эо) прн t/hC = const для транзистора, включенного с общей базой

1,0 30

15,4ол.

0,1 0,2 0,3

Рис 1 5 Входные характеристики транзистора П16 для включения с общей базой

ром /к =!(икэ) ДЛЯ различных значений тока базы h и зависи мость тока базы от напряжения между эмиттером и базой /6=f(63) для различных значений напряжения между коллектором и эмиттером Uk3 .

Семейство выходных статических характеристик маломощного транзистора предварительною усиления типа П16, снятых по схеме рнс I 6, для включения с общим эмиттером и температуры гранзистора, равной 20°С, приведено иа рис 1.7. Эти характеристики при включении с общим эмиттером образ^ют больший \гол с горшонтальиой осью, чем при включении с общей базой Кроме того, при больших токах базы выходные характеристики сильно сближаются Резкое падение характеристик при таком включении происходит прн небольших напряжениях па кол пек-торе, правее вертикальной оси

) Для сопротивления нагрузки выходной цепи, бчи)ког() к и\ 1Ю т е для короткого амикання выходной цегн!



Выходное сопротивление транзистора току сигнала в рабочей точке для включения с общим эмиттером Н^ылоэ представляет

собой отношение ~J~ при /5 = const; значения At/кэ и А/к опре-

деляют по касательной, проведенной к статической характеристике). Так как характеристики образуют заметный угол с горизонтальной осью, выходное сопротивление /?выхоэ можно определить довольно точно.

Ifconst

(У)ю if/

Рис. 1.6. Схема для снятия выходных характеристик /к-Ц^кз) при /6=const для транзистора, включенного с общим эмиттером

40 30 20

п 10

.1000 ШО

,1б=гоата

аГ/- Im.

2 4 б 8 Ю f2 f4- Ug,6

Рис. 1.7. Выходные характеристики транзистора П16 для включения с общим эмиттером

Отношение

А/к А/

при Lk3== const представляет собой величину

коэффициента усиления тока р при сопротивлении нагрузки, равной нулю, т. е. при коротком замыкании выходной цепи. Пример 1.3. Определим R

вы.х ОЭ и [3 по выходным характеристикам транзистора П16, включе1июго с общим эмиттером, для выбранной рабочей точки О (рис 17):

10-4

А/к, 1 10- Д/к2 (15-8)10-3

= 6000 ом,

(400-200)10

= 35.

Выходное сопротивление транзистора при включении с общим эмиттером получилось меньше, че.м выходное сопротивление при включении с общей базой из-за большего наклона характеристик.

Семейство входных статических характеристик транзистора П16, снятых по схеме рис. 1 8, для включения с общим эмиттером и температуры транзистора 20°С приведено па рис. 1.9. Из рис. 1.9 видно, что в области малых токов 1с кривые примерно экспоненциальны, а при больших токах - линейны. Кроме того, входная характеристика для Una =0 (нулевая характеристика) далеко отстоит от остальных характеристик семейства, близко расположен-

) Для сопротивления источника сигнала, близкого к бесконечности.



ных друг от друга. Поэтому в справочниках обычно приводят лишь две входные характеристики: для напряжения /кэ =0 и среднего значения напряжения между коллектором и эмиттером и КЗ =5 0.

Входное сопротивление транзистора току сигнала в рабочей точке') при включении с общим эмиттером Rb%ob представляет

собой отношение г- при Uks =const; А/7бэ и А/в определяют по а/б

касательной к характеристике, проведенной через рабочую точку.

Пример 1.4. Определим /?вхоэПо входным характеристикам транзистора П1Ь, включенного с общим эмиттером, для выбранной рабочей точки О (рис. 1 9)

0,36-0,16 0,65 10-3

= 308 ом.

Входные характеристики транзистора прй включении с общим эмиттером по виду аналогичны входным характеристикам при включении с общей базой. Так как по горизонтали откладывается одно и то же напряжение Обз, а по вертикали - ток j,Ma базы /б, почти пропорциональный току эмиттера h, но много меньший последнего, входное сопротивление в рабочей

точке, равное-г-т- , при вклю-

и„з= const jEf(


Рис I8 Схема для снятия входных характеристик /о =I(Uu3 ) при Uk3 =const для транзистора, включенного с общим эмиттером

Рнс. I 9 Входные характеристики транзистора П16 для включения с общим эмиттером

чении с общим эмиттером оказывается много больше, чем при включении с общей базой.

При расчете каскада с транзистором, включенным с общим коллектором^ не пользуются семействами статических характеристик для включения с общим коллектором, а используют стати-

) Для сопротивления нагрузки выходной цепи, близкого к нулю, т е. для короткого замыкания выходной цепи



ческие характеристики для включения с общим эмиттером, т. е. характеристики зависимости /к = fiUa ) для различных значений Уб и характеристики зависимости /о ==/(/бэ ) для различных значений Окэ

Полярность источников питания и смещения, указанная на рис. 1.2, 1.4, 1.6 и 1,8, относится к транзисторам наиболее распространенного типа р-п-р. Поэтому все основные схемы транзисторных усилительных каскадов, приводимые в настоящей книге, и полярность их источников питания даны для транзисторов этого типа. При транзисторах типа п-р-п полярность источников питания и смещения должна быть изменена на обратную (см., например, рис. 3.35, 3.36) Несмотря на то, что напряжение на коллекторе отрицательное, у транзисторов типа р-п-р характеристики принято изображать в положительных осях координат.

1.3. Эквивалентные схемы входной и выходной цепей

транзистора

Входное и выходное сопротивления транзистора, а также его коэффициент усиления изменяются с изменением частоты сигнала, и эти зависимости, различные для разных способов включения, в основном и определяют частотную характеристику транзисторного усилительного каскада на верхних частотах.

Зависимость усилительных свойств транзистора от частоты определяется изменением статического коэффициента усиления тока при включении с общей базой а с частотой; эта зависимость с достаточной для практики точностью выражается уравнением

=--, (1.1)

где ао - коэффициент усиления тока на низких частотах в режиме короткого замыкания; а-коэффициент усиления тока в режиме короткого замыкания на частоте /; frp-граничная частота транзистора, на которой коэффициент усиления тока при включении с общей базой падает в 1/2 раза по сравнению с его значением на низких частотах. Зависимость входного и выходного сопротивлений от частоты отражается эквивалентными схемами входных и выходных цепей транзистора. Для всех трех способов включения (с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) в усилительных каскадах почти всегда сопротивление нагрузки Z значительно меньше выходного сопротивления транзистора 2вых Поэтому и эквивалентные схемы входной и выходной цепей транзистора, приводимые нн.же, справедливы для Z <CZвых- Входное сопротивление транзистора, включенного с общей базой, растет с повышением частоты (рис. 1.10). На этом рисунке так же, как и на рис. 1.12,



по вертикальной оси отложено отношение входного сопротивления транзистора на частоте / к его входному сопротивлению на очень низких частотах. Такому изменению входного сопротивления с

ZBxo

У

Рис. 1 10 Зависимость входного сопротивления транзистора от частоты прн малом сопротивлении нагрузки выходной цени при включении с общей базой

Рис 1 11 Эквивалентная схема входной цени транзистора с общей базой при Z,i< 2вых

частотой соответствует эквивалентная схема, изображенная на рис. 1.11, где г6 - сопротивление базы, /?вхоб - входное сопротивление транзистора, приближенно равное сопротивлению эмит-терного перехода Гэ , L - эквивалентная индуктивность входной

цепи, приближенно равная 0,16 .

Возрастание входного сопротивления транзистора, включенного с общей базой, происходит на очень высоких частотах, где статический коэффициент усиления тока а сильно падает Такие частоты лежат выше полосы рабочих частот, на которых данный транзистор дает значительное усиление, а поэтому изменение входного сопротивления практически не сказывается на работе усилительного каскада.

Прн включении транзистора с общим эмиттером статический коэффициент усиления тока р начинает падать с увеличением частоты много раньше, чем при включении с общей базой.

Зависимость р от частоты определяется выражением

гр ОЭ I

(1.2)

где ро - статический коэффициент >силения тока на низких частотах;

р - статический коэффициент \снления тока на частоге /;



1 2 3 4 ... 19

© 2000-2017. Поддержка сайта: +7 495 7950139 добавочный 133270.
Заимствование текстов разрешено при условии цитирования.