4.3 Усиление с помощью транзистора

Рис. 4.2 Схема транзисторного каскада с общим эмиттером

Такая схема называется схемой с общим эмиттером. Входное напряжение подается от источника колебаний. На базу подано также прямое смещение от Е₁. При этом протекает базовый ток, поэтому входное сопротивление получается сравнительно небольшим. Для получения усиленного напряжения включена нагрузка R_н.

Работа происходит следующим образом. Эквивалентная схема коллекторной цепи имеет вид на рис. Напряжение Е₂ делится между сопротивлением нагрузки R_н и r₀ – внутренним сопротивлением транзистора постоянному току, как правило, поровну. Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода r_ко. При этом переменное напряжение на сопротивлении нагрузки во много раз больше, входное. Изменения коллекторного тока почти равны изменениям эмиттерного тока и много больше изменений тока базы. Поэтому получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности.

Пусть Е₁=0,2В, Е₂=12В, R_н=4кОм, r₀=4кОм при отсутствии входного напряжения.

Полное сопротивление R_пол= R_н+ r₀=4+4=8 кОм.

i_к= Е₂/ R_пол=12/8=1,5 мА.

Напряжение Е₂ делится поровну между R_н и r₀ и будут по 6В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,2В, то максимальное напряжение U_бэ=0,3В.

Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера i_э возрастает до 2,5 мА. Таким же станет и ток коллектора i_к. Он создает на резисторе R_н напряжение 2,5*4=10В, на r₀ – 12-10=2В. Сопротивление r₀ станет r₀ = 2/2,5=0,8кОм.

При отрицательной полуволне напряжения источника колебаний напряжение U_бэ станет равным 0,1В, i_э и i_к – 0,5мА.

На сопротивлении нагрузки R_н напряжение 0,5*4=2В, на r₀ – 12-2=10В т.е. сопротивление

r₀ =10/0,5=20кОм.

Сопротивление r₀ меняется от 0,8кОм до 20кОм при изменении входного напряжения на 0,1вольта. Напряжение на нем при этом изменяются на 4 вольта в ту и другую сторону. Следовательно, выходное напряжение в 40 раз больше входного.

4.4 Расчет рабочего режима биполярного транзистора

Исходные данные: транзистор включен в усилительный каскад по схеме ОЭ. Каскад питается от одного источника с напряжением E = 10 В, сопротивление резистора нагрузки R_н=500 0м. Известен тип транзистора и его характеристики.

Требуется:

а) построить линию предельной мощности P_kmax;

б) построить линию нагрузки, определить рабочий участок и выбрать рабочую точку;

в) по выходным характеристикам найти постоянную составляющую тока коллектора I_K0, постоянную составляющую напряжения коллектор—эмиттер U_КЭ0 , амплитуду переменной составляющей тока коллектора I_mk, амплитуду выходного напряжения U_mR=U_mКЭ, коэффициент усиления по току K_I, выходную мощность P_вых , мощность, рассеиваемую на нагрузке постоянной составляющей тока коллектора Р_R0, полную потребляемую мощность в коллекторной цепи P₀, КПД коллекторной цепи . Проверить, не превышает ли мощность Р_K0, выделяемая на коллекторе в режиме покоя, максимально допустимую мощность Р_kmax;

г) с помощью входных характеристик определить напряжение смещения U_БЭ0, амплитуду входного сигнала U_mбэ, входную мощность R_вх, коэффициент усиления по напряжению К_u и по мощности К_р, входное сопротивление каскада R_вх, сопротивление резистора смещения R_б.

Порядок решения задачи следующий.

1. На семействе выходных характеристик строим линию максимально допустимой мощности, используя уравнение

I_kmax=P_kmax/|U_КЭ|=15010^-3/|U_КЭ|.

Подставляя в него значения |U_КЭ| равные, например, -7,5; -10, -15 и -20 В, получаем значения I_k равные 20, 15: 10. и 7,5 мА соответственно. Построенная по этим точкам линия P_Kmax показана на рисунке 4.1,б.

2. Используя уравнение линии нагрузки I_K=(Е-U_кэ)/R_н, на семейство выходных характеристик наносим линию нагрузки: при I_к=0 U_кэ=Е= -10 В - первая точка линии нагрузки; при Uкэ = 0 I_к = Е/R_н = 10/500 =20 мА - вторая точка линии нагрузки.

3. Определить рабочий участок, ограниченный режимами насыщения и отсечки.

4. Выбрать рабочую точку посередине рабочего участка (на рисунке 4.2, б - точка Т).

6. Постоянная составляющая тока базы I_Б0=300 мкА. Ей будут соответствовать постоянная составляющая тока коллектора I_ко=6 мА и постоянная составляющая напряжения U_кэ0=-7 В.

7. Зададим амплитуду переменной составляющей тока базы I_mб.

8. Амплитуду переменной составляющей тока коллектора определим как среднее значение:

8. Амплитуда переменного напряжения на нагрузке

9. Коэффициент усиления по току К_I =I_mk/I_mб= 3,5.10^-3/(0,2. 10^-3)= 17,5.

9. Выходная мощность P_вых = 0,5I_mкU_mR = 0,53,5- 10^-31,75 = 3 мВт.

10. Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи

Р₀=EI_ко=10610^-3=60 мВт.

9. КПД коллекторной цепи =Р_вых/Р_о = 310^-3(6010^-3)=0,05 = 5.

Рис. 4.3 Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

а)

б)

Рис. 4.4 Статические характеристики биполярного транзистора:

а) входные б) выходные

9. Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока, Р_к0=I_k0U_кэ0=610^-37=42 мВт<Р_Kmax=150 мВт, т. е. режим работы допустим.

10. Далее расчет ведем по семейству входных характеристик (рис. 4.2,а). Поскольку у транзисторов входные характеристики расположены близко друг от друга, то в качестве рабочей входной характеристики можно принять одну из статических .входных характеристик, соответствующую активному режиму, например характеристику, снятую при U_КЭ=-5 В. Из графика находим, что U_бэ0=0,25 В. Амплитуда входного напряжения

9. Модуль коэффициента усиления по напряжению

|K_U|=U_mкэ/ U_mбэ=1,75/(4510^-3)= 39.

9. Коэффициент усиления по мощности

К_р = |K_IK_U|3917,5690.

9. Входная мощность

Р_вх = 0,5I_mбU_mб= 0,5.0,210^-34510^-3=4,5 мкВт.

18. Входное сопротивление

R_вх=U_mбэ/I_mб=4510^-3/(0.210^-3)= 225 Ом.

19. Сопротивление резистора

20. Емкость конденсатора Ср определяется из условия

1/(_нС_р)=R_вх/10

где _н - низшая рабочая частота.

Тогда