Электроника. Методическое пособие для проведения практических занятий
.pdf11
Занятие №2
Тема 2 Расчет усилительных каскадов
на полупроводниковых транзисторах
Полупроводниковые |
биполярные |
транзисторы |
имеют |
следующие основные параметры:
Коэффициент передачи по току
Входное сопротивление
Выходная проводимость
Обратный ток коллектор-эмиттер
Время включения
Предельная частота коэффициента передачи тока базы
Обратный ток коллектора
Максимально допустимый ток
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером
Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и
вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, не зависимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:
коэффициент усиления по току α;
сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб,
Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем.
Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».
Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного
12
тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния
обратной связи от выходного напряжения.
h11 = Uвх/Iвх при Uвых = 0.
Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.
h12 = Uвх/Uвых при Iвх = 0.
Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току)
показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.
h21 = Iвых/Iвх при Uвых = 0.
Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.
h22 = Iвых/Uвых при Iвх = 0.
Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:
Uвх = h11Iвх + h12Uвых;
Iвых = h21Iвх + h22Uвых.
В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.
13
Режим постоянного тока транзисторного усилительного каскада.
Задача 2.1 Определить входные и выходные токи и напряжения транзистора по постоянному току для схемы, показанной на рисунке 2.1, в
которой ЕЭ = (2+0,2n) B , RЭ = (2-0,1n) кОм, ЕК = 10 В, RК = (6 – 0,2n) кОм.
Транзистор имеет h21б = 0,99. Обратным током коллектора можно пренебречь. Транзистор кремниевый. (n – последняя цифра номера студенческого билета).
Рисунок 2.1 – Схема усилительного каскада
Порядок решения
Начертить схему усилительного каскада (рисунок 2.1) и записать
исходные данные задачи.
Согласно второму закону Кирхгофа уравнение напряжений по входной
цепи можно записать следующим образом: |
|
э = э ∙ э + э. |
(2.1) |
Для кремниевого транзистора можно считать, что на активном участке |
|
Э ≈ 0,7 В. В этом случае по формуле (2.1) вычисляем ток эмиттера. |
|
Ток коллектора находим из соотношения |
|
к = ∙ э ≈ 21б ∙ э |
(2.2) |
В выходной цепи напряжения распределены следующим образом: |
|
|
14 |
к = к ∙ к + к. |
(2.3) |
По формуле (2.3) находим напряжение на коллекторе в режиме покоя.
Задача 2.2 В схеме на рисунке 2.2 найти напряжение Uкб. Дано: Rэ = (1,5 + 0,1n)кОм, к = 7+2 кОм, Rб = 40кОм, Еэ = (4 + n)В, Ек = (25 – 0,5n)В.
Коэффициент передачи тока эмиттера = 0,98, обратный ток Iк0 = 10 мкА. (n – последняя цифра номера студенческого билета).
Рисунок 2.2 – Схема усилительного каскада
Порядок решения
Начертить схему усилительного каскада (рисунок 2.2) и записать
исходные данные задачи. |
|
|
|
|
|
Ток эмиттера вычисляется по формуле |
|
|
|||
|
= |
э−э |
. |
|
(2.4) |
|
|
||||
э |
|
вх |
|
|
|
|
|
|
|
||
Для схемы с общей базой входное сопротивление цепи равно |
|
||||
вх = э + э + (б + б)(1 − ). |
(2.5) |
||||
Пренебрегая малыми значениями э и б, |
по формуле (2.5) вычисляем |
||||
входное сопротивление. |
|
|
|
|
|
Учитывая, что э >> э, |
пренебрегая |
малым значением |
э, по |
||
формуле (2.4) вычисляем ток эмиттера. |
|
|
|||
15
Токи коллектора и базы транзистора связаны с током эмиттера коэффициентом передачи тока эмиттера и вычисляются по формулам
к = ∙ э + к0, |
(2.6) |
б = (1 − ) ∙ э − к0. |
(2.7) |
По формулам (2.6) и (2.7) вычисляем токи коллектора и базы.
В выходной цепи по второму закону Кирхгофа уравнение напряжений имеет вид
к = к ∙ к + б ∙ б + кб. |
(2.8) |
По формуле (2.8) вычисляем напряжение коллектор – база.
Усилительные каскады на транзисторах.
Задача 2.3 На |
рисунке |
2.3 представлен каскадный усилитель. |
|
Транзисторы Т1 и Т2 |
идентичны |
и имеют параметры: = (45+n), |
rэ = 10 |
Ом, rб = (100 – 2n) Ом. |
Другие элементы схемы: Rт = (1 + 0,2n) кОм, |
Rк = (5 |
|
+ 0,1n) кОм, Rн = 10 кОм, Rэ = 200 Ом. Определить коэффициенты усиления схемы по напряжению, по току и по мощности. (n – последняя цифра номера студенческого билета).
Рисунок 2.3 – Схема усилительного каскада
16
Порядок решения
Начертить схему усилительного каскада (рисунок 2.3) и записать
исходные данные задачи. |
|
|
|
|
|
|
Найти входное сопротивление схемы: |
|
|
|
|||
|
вх = б + (э + э) ∙ (1 + ). |
(2.9) |
||||
Коэффициент усиления по напряжению для каскадного усилителя |
||||||
находится по формуле: |
|
|
|
|
|
|
= ∙ |
к∙н |
, |
где = |
|
. |
(2.10) |
|
|
|||||
|
(к+ н)∙(т+ вх) |
|
|
+1 |
|
|
|
|
|
|
|||
Коэффициент усиления по току вычисляется по формуле:
|
= ∙ |
к∙т |
. |
(2.11) |
|
||||
|
|
(к+ н)∙(т+ вх) |
|
|
|
|
|
|
Коэффициент усиления по мощности вычисляется по формуле:
|
= |
∙ . |
(2.12) |
|
|
|
|
Задача 2.4 На рисунке 2.4 представлена схема дифференциального
усилителя. Транзисторы идентичны и имеют следующие параметры:
= (95 + n), rэ = 100 Ом. Параметры схемы: Rк1 = Rк2 = (25 + n)/10 кОм,
Rэ = (5+0,1n) кОм, Uвх1 = 1 В, Uвх2 = 1,1. Вычислить напряжение на выходе.
(n – последняя цифра номера студенческого билета).
Порядок решения
Начертить схему усилительного каскада (рисунок 2.4) и записать исходные данные задачи.
Сигнал на выходе дифференциального усилителя складывается из дифференциального и синфазного выходных сигналов. Дифференциальный выходной сигнал пропорционален разности входных напряжений:
вых д = д ∙ ∆ = д(вх2 |
− вх2), |
(2.13) |
17
Рисунок 2.4 – Схема дифференциального усилителя где д - коэффициент усиления дифференциального сигнала. Для
транзисторов, работающих в микрорежиме, д вычисляется по формуле:
|
= |
к |
. |
(2.14) |
|
||||
д |
|
э |
|
|
|
|
|
||
Наличие двух совпадающих |
по фазе |
(синфазных) сигналов может |
||
привести к появлению выходного синфазного сигнала. Этот сигнал
обусловлен приращениями |
токов |
в коллекторных цепях |
транзисторов Т1 |
||||
и Т2: |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
∙ |
− |
∙ |
, |
(2.15) |
вых с |
вх с |
2 |
вх с |
1 |
|
|
|
где вх с равно меньшему из двух входных сигналов.
Коэффициент усиления синфазного сигнала для каждого плеча
определяется выражением |
|
|
|
= |
∙ к |
. |
(2.16) |
|
|||
|
( +2 )∙(1+ ) |
|
|
|
|
||
18
Задача 2.5 На рисунке 2.5 представлена схема каскадного усилителя с
эмиттерной |
связью. Найти |
напряжение выходного сигнала, если |
||||||||
транзисторы |
идентичны |
|
и |
имеют |
параметры: |
= (80 + 2 ); э = |
||||
100 Ом; |
= |
200+2 |
Ом; |
= 25 + |
5+ |
|
кОм, = (5 + 0,1 )кОм, = |
|||
|
|
|||||||||
|
б |
1+0,1 |
к |
|
|
1+ |
э |
к |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
3 кОм. |
Входные напряжения: |
вх1 = (0,9 + 0,1 ) , |
вх1 = (1 + 0,2 ) . |
|||||||
(n – последняя цифра номера студенческого билета). |
|
|||||||||
Рисунок 2.5 – Схема каскадного усилителя
Порядок решения
Начертить схему усилительного каскада (рисунок 2.5) и записать исходные данные задачи.
Схема имеет два входа и линейна, поэтому применим принцип суперпозиции:
|
|
|
|
|
вых |
= вх1 |
∙ 1 + вх2 ∙ 2, |
(2.17) |
|||
где |
= |
вых |
, |
при |
= 0; |
|
= |
вых |
, |
при |
= 0. |
|
|
||||||||||
1 |
|
вх1 |
вх2 |
|
2 |
|
вх2 |
вх1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
19
По отношению к сигналу вх1 усилитель является двухкаскадной схемой ОК — ОБ, поэтому
|
|
|
|
|
1 = ок ∙ об. |
|
|
|
(2.18) |
||||||||
Коэффициенты усиления отдельных каскадов вычисляются по |
|||||||||||||||||
формулам: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
(1 + ) ∙ |
э ∙ э |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ок = |
|
|
|
|
|
|
э |
э |
|
; |
(2.19) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
+ (1 + ) ∙ |
э ∙ э |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
э + э |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
= |
∙ э |
, |
|
|
|
|
|
(2.20) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
об |
|
|
э |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где = |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определив ок |
и |
об по формуле (2.18) |
|
|
находится коэффициент |
||||||||||||
усиления первого входного сигнала 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
По отношению |
к |
сигналу |
вх2 |
|
схема |
является |
однокаскадным |
||||||||||
усилителем ОЭ. Для нее коэффициент усиления вычисляется по формуле:
≈ − |
к |
. |
(2.21) |
2 |
э |
|
|
Знак минус указывает на то, что усилитель ОЭ инвертирует входной |
|
сигнал. |
|
Определив 2 по формуле (2.17) находится выходное напряжение. |
|
Задача 2.6 На рис. 2.6 представлен усилительный каскад с общим истоком (ОИ) на полевом транзисторе с p – n переходом. Определить коэффициент усиления этой схемы, если крутизна стокозатворной
характеристики |
= |
(10+ )мА |
. |
Параметры |
элементов схемы |
= (2 + |
||||
|
||||||||||
|
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2 )кОм, |
|
= |
90+2 |
кОм, |
|
= 1 кОм. (n |
– последняя цифра |
номера |
||
|
||||||||||
|
н |
|
8 |
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
студенческого билета).
20
Порядок решения
Начертить схему усилительного каскада (рисунок 2.6) и записать исходные данные задачи.
Если резистор и не зашунтирован блокировочным конденсатором, то коэффициент усиления по напряжению определяется выражением:
∙ с∙н= с+ н .
1+ ∙и
Рисунок 2.6 – Усилительный каскад на полевом транзисторе
Примечание. При вычислениях удобно выражать в мА/ В, а в кОм.
Контрольные вопросы
1.Перечислите типы усилительных каскадов.
2.Назовите и объясните режимы работы усилительных каскадов.
3.Как определяется коэффициент усиления по напряжению?
4.Какие обратные связи (ОС) применяются в усилителях?
5.Как влияет ОС на коэффициент усиления?