КП Маша / 1_ROZDIL

1 Основні схеми включення біполярних транзисторів. Емітерний повторювач

1.1 Основні схеми включення біполярних транзисторів

Транзистором називається електроперетворювальний прилад, який має один або декілька n-p переходів, три або більше виводів і здатен підсилювавати потужність електричного сигналу.

Широко розповсюджені транзистори з двома n-p переходами, що мають назву біполярних Термін «біполярний» - підкреслює, що процеси в цих транзисторах пов`язані з взаємодією носіїв зарядів двох типів: електронів та дірок. Для виготовлення використовують германій і кремній. Електроди підключені до трьох послідовно розташованих верствам напівпровідника з чередуючим типом домішкової провідності. За цим способом чергування розрізняють n-p-n і p-n-p транзистори (n (negative) - електронний тип домішкової провідності, p (positive) - дірковий). У біполярному транзисторі, на відміну від польового транзистора, використовуються заряди одночасно двох типів, носіями яких є електрони і дірки (від слова "бі" - "два").

Електрод, підключений до центрального шару, називають базою, електроди, підключені до зовнішніх шарів, називають колектором і емітером. На найпростішій схемі відмінності між колектором і емітером не видні. У дійсності ж головна відмінність колектора - велика площа p-n-переходу. Крім того, для роботи транзистора необхідна мала товщина бази.

Біполярний точковий транзистор був винайдений в 1947 році, протягом наступних років він зарекомендував себе як основний елемент для виготовлення інтегральних мікросхем.

В електричне коло транзистор включають таким чином, що один з його електродів є вхідним, другий - вихідним, а третій - спільним для вхідних і вихідних ланцюгів.

У залежності від того, який електрод є загальним, розрізняють три схеми включення транзисторів: з спільною базою (СБ), з спільним колектором (СК) і спільним емітером (СЕ).

а) б) в)

Рисунок 1.1 – Схеми вмикання транзистора : а) з СБ; б) з СЕ; в) з СК

Основні схеми вмикання розглядаються для сигналу напруги змінного струму.

У схемі з СБ: ІЕ – вхідний струм, ІК - вихідний, передатність струму:

статична –

; (1.1)

динамічна –

. (1.2)

Коефіцієнт підсилення за струмом завжди трохи менший одиниці, струм колектора зажди трохи менше струму емітера.

Схема СБ має значно менше посилення по потужності і має ще менший вхідний опір, ніж схема СЕ, все ж її інколи застосовують, оскільки по своїх частотних і температурних властивостях вона значно краща за схему СЕ.

У схемі з СЕ: ІБ – вхідний струм, ІК - вихідний, передатність струму:

статична –

(1.3)

динамічна –

. (1.4)

Схема із спільним емітером є найбільш поширеною, оскільки вона дає найбільше посилення по потужності. Каскад за схемою СЕ при посиленні перевертає фазу напруги, тобто між вихідним і вхідною напругою є фазовий зсув 180°.

Перевага даної схеми – зручність живлення її від одного джерела, оскільки на коллектор і базу подається живляча напруга одного знаку.

Недоліки даної схеми – гірші в порівнянні з схемою з спільною базою (СБ) частотні і температурні властивості. З підвищенням частоти посилення в схемі з спільним емітором (СЕ) знижується в значно більшій мірі, ніж в схемі з спільною базою (СБ).

У схемі з СК: ІБ – вхідний струм, ІЕ - вихідний струм:

. (1.5)

Особливість цієї схеми в тому, що вхідна напруга повністю передається назад на вхід, тобто дуже сильний негативний зворотній зв’язок. Перевагою даної схеми включення є високий вхідний опір. [1]

1.2 Емітерний повторювач. Короткі теоретичні відомості

Емітерний повторювач (ЕП) - окремий випадок повторювачів напруги на основі біполярного транзистора. ЕП (схеми із загальним колектором) застосовують для узгодження високого вихідного опору джерела сигналу з низьким вхідним опором навантаження. Для побудови високочастотних підсилювачів (що мають низький вхідний опір) використовують схеми із загальною базою.

У ЕП використовується схема включення транзистора із загальним колектором (ЗК). Тобто напруга живлення подається на колектор, вхідний сигнал подається на базу, а вихідний сигнал знімається з емітера. В результаті чого утворюється 100% негативний зворотний зв'язок по напрузі, що дозволяє значно зменшити нелінійні спотворення, що виникають при роботі. Така схема включення використовується для побудови вхідних підсилювачів, у разі якщо вихідний опір джерела великий, і як буферний підсилювач, а також в якості вихідних каскадів підсилювачів потужності. Найбільш часто в практичних схемах використовують режим включення транзистора із загальним емітером (що володіє найбільшим коефіцієнтом підсилення по потужності). [2]

1.3 Проведення розрахунку схеми емітерного повторювача

Розрахувати еміторний повторювач на складеному транзисторі, якщо відомі такі вихідні дані: амплітуда джерела вхідної напруги UМ.ВХ=0,2 В, номінальний навантажувальний опір джерела сигналу RДЖ.НОМ=400 кОм, нижня частота діапазону підсилювальних частот fH=30 Гц, вища частота діапазону fВ=2∙10⁴ Гц, частотні спотворювання на низьких частотах МН.ЗАГ=0,4 дБ. Схема наведена на рисунку 1.2

Рисунок 1.2 – Схема емітерного повторювача

Розв’язування

Визначаємо величину потужності РДЖ , яку може віддати джерело сигналу у вхідне поле підсилювача при умові узгодження вхідного опору каскаду RВХ з номінальним навантажувальним опором джерела сигналу RВХ ≈RДЖ.НОМ:

=(μВт), (1.6)

де UМ.ВХ - амплітуда джерела вхідної напруги;

RВХ - вхідний опір каскаду.

Вибиравши з довідника транзистор КТ324Б типу n-p-n, з такими параметрами: коефіцієнт підсилення за струмом h21E=20…60, максимально допустима напруга колектор-емітер UКЕ.МАХ.ДОП=10 В, максимально допустимий струм колектора ІЕ.МАХ.ДОП=20 mA, максимально допустима потужність розсіювання на колекторі PКЕ.МАХ.ДОП=15 mВт.

Визначимо напругу джерела живлення кола колектора:

(В), (1.7)

де UКЕ.МАХ.ДОП - максимально допустима напруга колектор-емітер.

Опір колекторного переходу транзистора визначається за формулою:

(кОм), (1.8)

де h22Б – вихідна провідність в схемі з спільною базою.

Наближене значення вхідного опору каскаду визначається за формулою:

(кОм), (1.9)

Частотні спотворення на вищій частоті діапазону МВ визначаються частотними властивостями транзистора і схемою їх увімкнення.

Для схеми ЕП:

[дБ], (1.10)

де ;

fВ –вища частота діапазону;

fА – гранична частота транзистора для схеми з спільною базою,

h21Е – коефіцієнт підсилення за струмом транзистора в схемі з спільним емітером.

,

(Дб).

Опір навантаження каскаду RE знаходиться за формулою:

(кОм), (1.11)

де ЕК – напруга живлення;

U0KE – напруга між колектором і емітером транзистора VT2 у режимі

спокою;

I0E – стум емітера у режимі спокою.

Для підвищення вхідного опору і зниження рівня шумів напругу U0KE вибирають не більше 2-3 В, в данному випадку U0KE =3 В, а струм I0E≈0,5 мА.

За таблицею типономіналів резисторів RE = 4,3 кОм, в дотатку А позначений, як R4.

Щоб визначити R1 і R3, задають струм, який проходить через подільник, утворений цими опорами.

Тоді:

(кОм), (1.12)

де ЕК – напруга джерела живлення кола колектора,

ІПОД=0,1 мА.

Величину опорів R1 і R3, можна знайти, користуючись співвідношенням:

[Ом], (1.13)

тоді R1≈37 кОм, а R3≈12 кОм, за таблицею типономіналів R1=36 кОм, а R3= 12 кОм.

Для того, щоб резистор R3 не зменшував вхідний опір каскаду, його величина має бути 2-3 МОм. В данному випадку R3=2 МОм.

Частотні спотворення у схемі, що виникають через наявність конденсаторів С1 і С2 розподіляють так:

[дБ], (1.14)

отже, МН2=0,3 дБ(1,035), МН1=0,1 дБ(1,012).

Ємність розділового конденсатора С2 визначається за формулою:

(нФ) (1.15)

де RВИХ - вихідний опір еміторного повторювача ( в схемах ЕП не перевищує 100- 200 Ом, в даній схемі дорівнює 100 Ом;

fH - нижня частота діапазону підсилювальних частот;

МН2 – частотні спотворення на низьких частотах, які виникають через наявність розділового конденсатора С2.

Ємність розділового конденсатора С1 на вході підсилювача визначається за формулою:

(нФ) (1.17)

За таблицею типономіналів С2 =330 нФ, С1=75 нФ.