Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный университет

приборостроения и информатики

М. С. Родюков, Н. Н. Коновалов

ЭЛЕКТРОНИКА

Расчёт усилительного каскада

с общим эмиттером

Методические указания

по выполнению домашней работы

Москва, 2011

УДК 621.3

ББК 31.2

Р60

Рекомендовано к изданию в качестве учебно-методичнского пособия редакционно-издательским советом МГУПИ Родюков М. С., Коновалов Н. Н.

P60 Электроника. Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером: методические указания по выполнению домашней работы, 2-е изд., испр. – М.: МГУПИ, 2011 г. 48 с.

– Методические указания содержат основные теоретические сведения, необходимые для расчёта усилительного каскада с общим эмиттером, порядок расчёта, а также варианты домашнего задания. Методические указания предназначены для студентов выполняющих домашнюю работу «Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером», в курсах «Электроника» и «Электротехника и электроника».

УДК 621. ББК 31. c Родюков М. С., Коновалов Н. Н. c МГУПИ, Оглавление Введение 1. Теоретическое введение 1.1. Биполярный транзистор................... 1.1.1. Принцип работы биполярного транзистора...... 1.1.2. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером 1.1.3. Схема замещения биполярного транзистора. Транзистор как четырёхполюсник.............. 1.1.4. Расчёт h – параметров.................

– 1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)..... 1.2.1. Усилители........................ 1.2.2. Усилительный каскад с ОЭ.............. 1.2.3. Режим работы по постоянному току......... 1.2.4. Термостабилизация усилительного каскада..... 1.2.5. Графоаналитический метод расчёта усилительного каскада.......................... 2. Порядок расчёта 2.1. Расчёт параметров транзистора............... 2.2. Расчёт усилительного каскада по постоянному току... 2.3. Расчёт усилительного каскада по переменному току... 2.4. Расчёт параметров элементов усилителя с ОЭ...... 2.5. Определение параметров усилительного каскада..... 3. Варианты домашнего задания 3.1. Определение номера варианта............... 3.2. Характеристики транзисторов................ 3.2.1. МП21Г, МП21Д.................... 3.2.2. МП39, МП40, МП41А................. 3.2.3. МП42А, МП42Б.................... 3.2.4. ГТ108Б, ГТ108Г..................... 3.2.5. МП114, МП115, МП116................ 3.2.6. КТ104А, КТ104Б, КТ104В............... 3.2.7. КТ201Б, КТ201Г.................... 4 Оглавление 3.2.8. КТ208Б, КТ209Б.................... 3.2.9. ГТ310А, ГТ310Б.................... 3.2.10. П416, П416А, П416Б................. 3.2.11. КТ3107А, КТ3107Б, КТ3107К............ 3.2.12. КТ313А, КТ313Б.................... 3.2.13. КТ345А, КТ345Б.................... Предметный указатель Введение Важной сотавляющей подготовки современных инженеров является изучение дисциплины «Электроника», как в рамках курса «Электротехника и электроника», так и в рамках отдельного курса в цикле общепрофессиональных дисциплин (ОПД) государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ГОС ВПО).

Наиболее сложными разделами этого курса, являются те, которые связаны со схемотехникой аналоговых устройств. В первою очередь это объясняется с нелинейным характером характеристик используемых элементов, относительно большим разбросом их параметров, а также сильным влиянием различных внешних факторов (в первую очередь температуры окружающей среды и самих элементов).

Целью данной работы является расчет параметров усилительного каскада с общим эмиттером, работающим в классе А с температурной стабилизацией, который проводится графоаналитическим методом с использованием h параметров транзистора.

Расчёт усилительного каскада на биполярном транзисторе является характерным примером, охватывающем большое количество разделов не только электроники, но и электротехники, среди которых можно выделить следующие: цепи переменного тока, нелинейные цепи, четырёхполюсник, теорию обратных связей, полупроводники.

В результате выполнения данной домашней работы, студент получит базовые навыки проведения инженерных расчётов аналоговых электронных устройств.

Для закрепления полученных при выполнении домашней работы навыков, студентам рекомендуется собрать полученный в результате расчётов усилтельный каскад в виде натурного макета и проверить на нём правильность проведённых расчётов.

Глава Теоретическое введение 1.1. Биполярный транзистор 1.1.1. Принцип работы биполярного транзистора биполярного транзистора ников, имеющих проводимость p и n типов (рис. 1.1). В зависимости от их расположения различают транзисторы p n p и n p n типов. Условные графические обозначения (УГО) транзисторов обоих типов приведены на рис. 1.2. Выводы транзистора называются: Э – эмиттер, Б – база и К – коллектор. Направление стрелки указывает положение области с проводимостью n типа.

базы IБ. Концентрация основных носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере и Рис. 1.2. УГО коллекторе, поэтому в базе рекомбинирует1 матранзистора выполняется достаточно узкой и основное количество зарядов, попавшее в базу из эмиттера, уже имея достаточно высокую скорость и получая дополнительное ускорение от поля перехода база–коллектор, пролетает в коллектор, создавая ток коллектора IК, значительно превышающий ток базы IБ.

1 Рекомбинация – процесс замещения электронами дырок, в результате чего исчезает пара носителей заряда «электрон–дырка» исчезает. Сопровождается выделением энергии в виде фотона.

Описанные физические процессы обеспечиваются конструктивными особенностями исполнения биполярных транзисторов:

1. База выполняется слаболегированной (т. е. количество основных носителей зарядов в ней значительно меньше чем в коллекторе и эмиттере);

2. База выполняется достаточно узкой;

3. Эмиттер выполняется сильнолегированным (т. е. количество основных носителей зарядов в нём значительно больше чем в коллекторе и базе).

Рис. 1.3. Принцип действия биполярного транзистора 1.1.2. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером В зависимости от того, какой вывод транзистора подключен одновременно ко входу и выходу схемы, различают три схемы включения транзистора — с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Наиболее широкое применение нашла схема с общим Работа транзистора характеризуется семей- транзистора по схеме с ствами входных и выходных характеристик общим эмиттером (рис. 1.5). Эти характеристики (для по схеме с ОЭ) приводятся в справочниках по транзисторам (например [3]).

Входные характеристики (рис. 1.5, а) показывают зависимость тока базы (IБ ) от напряжения между базой и эмиттером (UБЭ ), при постоянном напряжение, приложенному к коллектору (UКЭ ). Входные Рис. 1.5. Характеристики транзистора а – входные, б – выходные характеристики слабо зависят от напряжения на коллекторе, поэтому обычно приводят две зависимости (например, в справочнике [3] приводятся входные характеристики транзисторов при UКЭ = 0 и 5В).

Выходные характеристики (рис. 1.5, б) показывают зависимость тока коллектора (IК ) от напряжения между коллектором и эмиттером (UКЭ ), при постоянном значении тока базы (IБ ). Выходные характеристики приводятся для достаточно большого (5 и более) значений тока базы (IБ1, IБ2, IБ3, и т. д.), различающихся на фиксированное значение IБ.

1.1.3. Схема замещения биполярного транзистора. Транзистор как четырёхполюсник.

прибором и не может быть полностью описан одной – двумя величинами (как, например, резистор или конденсатор), характеризующие его зависимости (например приведённые на рис. 1.5) имеют сложРис. 1.6. Схема замещения ный и нелинейный характер, поэтому для замещения – математические модели, характеризующие некоторые его свойства с заданной точностью и в определённых пределах.

Для транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, работающим в малосигнальном2 (линейном) режиме, наибольшее распространение получила схема замещения, приведённая на (рис. 1.6).

На данной схеме транзистор характеризуется h – параметрами линейного четырёхполюсника – электрической схемы, имеющей два входных и два выходных контакта.

Мы рассматриваем работу усилительного каскада в малосигнальном (линейном) режиме, поэтому мы можем представить транзистор в виде активного линейного четырёхполюсника, который характеризуется входными (U1, I1 ) и выходными (U2, I2 ) токами и напряжениями.

Для их расчёта используется система линейных уравнений, в которых два тока или напряжения являются известными, а два других – не- – известными. Известные и неизвестные величины связываются коэффициентами, которые называются параметрам четырёхполюсника.

Для расчёта усилителей применяются z (имеют размерность сопротивления), y (размерность проводимости) и h (смешанная размерность) параметры.

При расчёте усилителей с общим эмиттером наибольшее распострание получили h—параметры, связывающие токи и напряжения с помощью следующей системы линейных уравнений:

В соответствии с рисунком 1. и учитывая, что для усилителя входными и выходными сигналами являются приращения соответствующих токов и напряжений, запишем эту систему уравнений в слеРис. 1.7. Представление транзистора, дующем виде:

Приравнивая к нулю IБ (режим холостого хода на входе) и UКЭ (режим короткого замыкания на выходе) мы сможем рассчитать h– параметры:

2В малосигнальном режиме работы транзистора амплитуды переменных составляющих входных сигналов не выходят за пределы линейного участка характеристики.

Следует отметить, что если изменение величины равно нулю, то эта величина не изменяется т. е. h12 и h22 рассчитываются при постоянном значении тока базы (IБ = const) а h11 и h21 при постоянном значении напряжения на коллекторе (UКЭ = const).

Физический смысл h–параметров следующий:

Помимо h–параметров, для анализа работы транзисторов применяются коэффициенты передачи тока эмиттера ( = IК /IЭ ) коэффициента для современных транзисторов, подключенных по схеме с обРис. 1.8. Схема замещения щим эмиттером, практически равно единице ( = 0,9... 0,995), поэтому при анализе транзистора на базе коффициента схем с ОЭ он не применяется, а используется для схем с общей базой. Намного большее значение при расчёте схем с общим эмиттером имеет коэффициент, значение которого составляет = (20... 200). При грубых расчётах схем с ОЭ, коэффициент может использоваться как основной параметр, характеризующих транзистор, В этом случае используется схема замещения, приведённая на рисунке 1.8.

1.1.4. Расчёт h – параметров В нашей работе мы получим h–параметры графоаналитическим методом из входных (h11, h12 ) и выходных (h21, h22 ) характеристик транзистора.

При расчёте h–параметров необходимо обратить внимание на то, что каждой точке характеристики соответствуют три величины:

• для входной характеристики – IБ, UБЭ и UКЭ ;

• для выходной характеристики – IК, UКЭ и IБ.

Третий параметр, который отсутствует на осях рассматриваемой характеристики, является величиной, для соответствующего значения которой строилась зависимость. Для входных характеристик, обычно, строятся две зависимости IБ (UБЭ ) для двух значений UКЭ (в основном это 0 и 5 В), для выходных – зависимости IК (UКЭ ) для разных значений IБ, различающихся на величину IБ, которая имеется в справочных данных на транзистор.

Следует обратить особое внимание на то, что все параметры рассчитываются на линейных (или близким к линейным) участках входных и выходных характеристик транзистора.

Расчёт по входным характеристикам транзистора Рис. 1.9. К расчёту h–параметров транзистора а – h11, б – h ся следующим образом: на одной из имеющихся входных характеристик (соответствующих выбранному напряжению на коллекторе –– UКЭ = const) выбирается линейный (или максимально близкий к неТеоретическое введение му) участок и на нём две точки (точки 1 и 2 на рис. 1.9, a). Разность напряжений базы, соответствующих этим точкам, даст нам UБЭ = UБЭ2 UБЭ1, а разность соответвующих значений тока – изменение тока базы IБ = IБ2 IБ1.

При расчёте параметра h12 = UКЭ (рис. 1.9, б), мы выбираIБ =const ем значение тока базы, для которого будем производить расчёт (т. е.

обеспечиваем выполнение условия IБ = const), и на двух кривых, построенных для разных значений напряжения коллектора, отмечаем соответствующие этому току точки (точки 3 и 4 на рис. 1.9, a).

Разность напряжений UБЭ, соответствующих этим точкам, даёт изменение напряжения между базой и эмиттером: UБЭ = UБЭ4 UБЭ3.

Величина UКЭ определяется как разность между напряжениями UКЭ, для которых строились входные характеристики (для характеристик, приведённых на рис 1.9, a UКЭ = 5 0 = 5В).

Расчёт по выходным характеристикам транзистора Рис. 1.10. К расчёту h–параметров транзистора а – h21, б – h чение UКЭ и на кривых, соответствующим двум значениям тока базы, различающихся на IБ отметить соответствующие точки (точки 1 и 2 на рис. 1.10, а). Разность значений IК, соответствующих этим точкам, даст нам значение IК = IК2 IК1. Величина IБ берётся из справочника.

При расчёте параметра h22 = UКЭ, выбирается одна из имеIБ =const ющихся характеристик IБ и на ней отмечаются две точки (точки 3 и 4 на рис. 1.10, б). Разность напряжений коллектора, соответствующих 1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ) этим точкам, даст нам UКЭ = UКЭ4 UКЭ3, а разность соответвующих значений тока — изменение тока коллектора (IК = IК4 IК3 ).

Типовые значения h–параметров для биполярных транзисторов находятся в следующих пределах [2]:

1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ) 1.2.1. Усилители Усилитель это устройство, преобразующее сигнал малой мощности в сигнал большей мощности за счёт энергии источника питания.

Именно увеличение мощности выходного сигнала, по сравнению с мощностью входного, является характерной особенностью усилителя и отличает его от других преобразующих устройств, в которых изменяется либо напряжение, либо электрический ток, а мощность остаётся постоянной (точнее уменьшается, т. к. КПД любого устройства меньше единицы). Примером такого устройства может служить повышающий трансформатор, преобразующий входное напряжение в более высокое выходное, при этом мощность выходного сигнала, за счёт потерь, будет ниже, чем мощность входного.

Рис. 1.11. Обобщённая структурная схема многокаскадного усилителя Применяемые на практике усилители являются достаточно сложными устройствами, которые содержат в себе несколько усилительных каскадов, обеспечивающих не только усиление входного сигнала, но и согласование с источником и нагрузкой.

Усилительный каскад это минимальный функциональный блок, обеспечивающий усиление сигнала. Обычно в его состав входят один или несколько усилительных элементов (электронный прибор, обеспечивающий усиление сигнала – транзистор или электронная лампа), цепи обратной связи, элементы обеспечивающие режим по постоянному току, и т. д.

На рис. 1.11 приведена обобщённая структурная схема многокаскадного усилителя. В общем случае усилитель состоит из входного каскада (с коэффициентом усиления КВХ ), одного или нескольких каскадов предварительного усиления (КПУ1... КПУn ), и выходного каскада (КВЫХ ).

Основной задачей входного и выходного каскадов является согласование усилителя с источником сигнала и нагрузкой, обычно это делается с целью получения согласованного режима работы цепи 3.

Каскады предварительного усиления обеспечивают необходимый уровень усиления сигнала. Если необходимый уровень выходного сигнала нельзя получить с помощью одного каскада, то ставят дополнительные, в количестве, обеспечивающем требуемый коэффициент усиления.

Важнейшей величиной, характеризующей усилительный каскад, является коэффициент усиления, равный отношению уровня выходного сигнала к уровню входного. Различают три коэффициента усиления – коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:

UВЫХ IВЫХ PВЫХ IВЫХUВЫХ

UВХ IВХ PВХ IВХUВХ

Исходя из определения усилителя (стр. 13) любой усилитель увеличивает мощность входного сигнала, и значит основным коэффициентом усиления должен быть коэффициент усиления по мощности, однако при проектировании усилителей акцент ставится на усиление одной из трёх величин, поэтому различают усилители напряжения, тока и мощности. Обычно информация в электронных устройствах передаётся путём изменения уровня напряжения, поэтому в литературе наиболее распостранён КU, и, в ряде случаев, он принимается за определение коэффициента усиления вообще.

При расчёте коэффициента усиления многокаскадного усилителя соответствующие коэффициенты усиления каскадов перемножаются:

Помимо коэффициента усиления, в широко используются амплитудно–частотная (АЧХ) и амплитудная характеристики усилителя.

согласованном режим работы выходное сопротивление источника сигнала равно входному сопротивлению нагрузки (например выходное сопротивления источника сигнала и входное сопротивление входного каскада). В этом случае обеспечивается максимальная мощность, но КПД будет равен 50 %, поэтому согласованный режим, в основном, используется в маломощных радиоэлектронных цепях, работающих со слабыми сигналами.

1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ) Амплитудно–частотная характеристика (АЧХ) (рис. 1.12) показывает зависимость коэффициента усиления от частоты.

Рис. 1.12. Амплитудно–частотная характеристика усилителя Для анализа АЧХ усилителя наибольший интерес представляет участок, на котором коэффициент усиления практически не зависит от частоты и обозначается КСР. Этот участок ограничен в области низких частот нижней граничной частотой fН, а в области высоких — верхней граничной частотой fВ (рис. 1.12). Значения fН и fВ определяются величиной коэффициента частотных искажений, равного отношению коэффициента усиления на средней частоте (fСР ), к коэффициенту усиления на нижней (fН ) или верхней (fВ ) частоте:

KU СР KU СР

KU Н KU В

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают величину 2.

Частоты меньше fН и выше fВ образуют области частотных искажений и не используются в работе усилителя.

Полоса пропускания усилителя f, характеризует диапазон частот, на котором коэффициент искажений M не превышает допустимые значения и равен разности между верхней и нижней частотами усилителя:

В зависимости от величин fН и fВ усилители делятся на:

1. Усилители медленно изменяющихся сигналов (или усилители постоянного тока, УПТ) – у них нижняя частота АЧХ мала и приближается к 0 (fН 0) а верхняя частота может достигать 2. Усилители низкой частоты (УНЧ) – нижняя частота равна десяткам герц, верхняя достигает сотен килогерц (для усилителей звуковой частоты (УЗЧ) — fВ = 15... 20 000Гц).

3. Усилители высокой частоты (УВЧ) – диапазон частот начинается от сотен килогерц и простирается до десятков и сотен мегагерц.

4. Широкополосные усилители (ШПУ) – усиливают частоты от десятков герц до сотен мегагерц (в основном применяются в импульсной технике).

5. Узкополосные или избирательные усилители – применяются для усиления сигналов в узком диапазоне частот (в идеале усиливается одна частота).

Амплитудная характеристика усилителя (рис. 1.13) характеризует зависимость выходного напряжения от входного на средних частотах.

напряжение UШ, обусловленное внутренними шумами усилителя. Минимальное входное напряжение должно быть не менее чем в 2... 3 раза больше уровня внутренних шумов чим. Участок BC обусловлен нелинейностью усилительных элементов при высоком уровне сигнала.

Таким образом, при уровне входного сигнала меньше UВХmin мы не сможем отличить полезный сигнал от помех, а в случае UВХ > UВХmax выходной сигнал будет иметь нелинейные искажения.

1.2.2. Усилительный каскад с ОЭ Усилительный каскад с общим эмиттером (рис. 1.14) является одним из самых распостранённых и применяется в каскадах предварительного усиления многокаскадных усилителях.

Название схемы «с общим эммитером» означает, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи. В этом случае 1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ) вывод эмиттера называется общим (обозначается знаком «», также используется термин «земля»), а все потенциалы измеряются относительно него.

Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующим образом:

1. При увеличении входного напряжения (UВХ ) ширина p n перехода между коллектором и базой уменьшается, в результате возрастает ток в цепи эмиттера (IЭ, см. рис. 1.3), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) уменьшается (RВыхТр ), а следовательно уменьшается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭ RВыхТр = UВых ).

2. При уменьшении входного напряжения (UВХ ) ширина p n перехода между коллектором и базой увеличивается, в результате чего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ, см. рис. 1.3), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) увеличивается (RВыхТр ), следовательно увеличивается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭ RВыхТр = UВых ).

Таким образом, усилительный каскад с общим эмиттером сдвигает фазу выходного сигнала, относительно входного, на 180о.

Характер изменения выходного напряжения, при изменении входного от минимального до максимального, определяется статической нагрузочной характеристикой:

Это выражение получено на основе II закона Кирхгофа (рис. 1.14) и из него хорошо видна роль резистора RК – фактически он определяет характер изменения выходного сигнала, а при его отсутствие (RК = 0), напряжение на выходе усилителя будет определятся исключительно источником питания:

При (RК = 0), падение напряжения на RК будет зависеть от величины тока коллектора IК, связанного с величиной тока базы коэфТеоретическое введение фициентом : IК = IБ. Отсюда следует, что напряжение на выходе каскада будет по форме повторять напряжение на входе.

Статическая нагрузочная характеристика определяет закон изменения выходного сигнала и строится на выходной характеристике транзистора. Эта характеристика является прямой линией, для построения которой достаточно двух точек, например точек её пересечения с осями. Выходная характеристика транзистора показывает