Меню

Общий эмиттер с фиксированным током базы

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Биполярные транзисторы.Часть 3.Усилительный каскад.

Здравствуйте, продолжим знакомство с биполярными транзисторами. В предыдущем посте был рассмотрен транзистор в качестве электронного ключа. Но это ещё не все возможности биполярных транзисторов, можно сказать даже ключевой режим работы – это лишь малая доля в схемах, где используются транзисторы. В львиной доле транзисторных схем транзистор используется в качестве усилительного прибора. В данных схемах транзистор используется в так называемой активной области. Транзистор в качестве усилительного прибора, включается в усилительный каскад, который кроме транзистора содержит ещё цепи питания, нагрузку и цепи связи с последующим каскадом.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схемы включения транзистора

Для биполярных транзисторов возможны три схемы включения, которые обладают способностью усиливать мощность: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Схемы отличаются способом включения источника сигнала и нагрузки (RН).

OE_BT

Схема с общим эмиттером

OB_BT

Схема с общей базой

OC_BT

Схема с общим коллектором.

Для всех схем включения транзистора при отсутствии сигнала, подаваемого от источника (еГ), необходимо установить начальный режим по постоянному току – режим покоя. При этом как и говорилось в предыдущем посте эмиттерный переход должен быть открытым, а коллекторный – закрытым. Для транзисторов p-n-p это достигается подачей отрицательного напряжения на коллектор (коллекторного напряжения E0C) и отрицательного напряжения на базу (напряжения смещения E0B). Для транзисторов n-p-n полярность этих напряжений должна быть противоположной. Режим покоя транзистора опредяляется положением его рабочей точки, которое зависит от тока эмиттера IE (практически равного току коллектора IС и зависящего от E0B) и от напряжения E0C.

Усилительные параметры транзистора

Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h21e и fТ (или fh21b). Зная параметр транзистора h21e для заданного режима покоя IE, можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:

где S — проводимость транзистора, re — сопротивление эмиттера транзистора.

Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |Ki| — коэффициент усиления тока транзистора, ZВХ — входное сопротивление транзистора:

Параметры усилительного каскада Схема включения
ОЭ ОБ ОК
|K| S*RH S*RH S*RH /( 1 + S*RH)
|Ki| h21e h21e/(1 + h21e) h21e
ZВХ h21e*re re h21e*RH

Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.

Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.

Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.

Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки RH и велико (почти в h21e раз больше RH), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала RГ и мало (почти в h21e раз меньше RГ). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.

Цепи питания биполярных транзисторов

Для обеспечения заданного режима работы биполярного транзистора требуется установить положение точки покоя, определяемое током покоя IС. С этой целью на электроды транзистора должны быть поданы два напряжения: коллекторное и напряжение смешения базы. Полярность этих напряжений зависит от структуры транзистора. Для транзисторов p-n-p оба этих напряжения должны быть отрицательными, а для n-p-n – положительными, относительно эмиттера транзистора.. Величины коллекторного и базового напряжения должны быть различны; кроме того, различными оказываются и требования к стабильности этих напряжений. Поэтому используются две отдельные цепи питания – коллектора и базы.

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.

tzep_pitaniya_collectora

В многокаскадных усилителях коллекторные цепи всех каскадов подключаются параллельно к одному общему источнику E0C. В этом случае цепь питания коллектора содержит развязывающий фильтр RфCф. Назначение такого фильтра – устранить паразитную обратную связь через общий источник питания. При питании от сети переменного тока, кроме того, уменьшаются пульсации напряжения питания. Резистор Rф включают последовательно с нагрузкой RН, и на нём теряется часть коллекторного напряжения. Поэтому рекомендуется сопротивление Rф выбирать исходя из допустимого падения напряжения:

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора UCE выбирается в пределах

При этом минимальное значение UC не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже

ficsirovannoe_tok_BT

Схема с фиксированным током

ficsirovannoe_napryaz_BT

Схема с фиксированным напряжением

automatic_smeschenie_BT

Схема с автоматическим смещением

Читайте также:  Ящик для учета электроэнергии с трансформаторами тока

Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения UB или создания в цепи базы требуемого тока смещения IB. В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение UBE,равное (в зависимости от IB) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E0C или от отдельного источника питания базовых цепей E.

При питании от E0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.

Расчёт усилительного каскада

Схема с автоматическим смещением, получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: Rb1, Rb2 и RE. За счёт отрицательной обратной связи создаваемой RE в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный конденсатор CE используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин Rb1, Rb2 и RE должны быть известны напряжение источника питания E0C и ток покоя IС. Ориентировочные значения Rb1, Rb2 и RE могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.

Входящие в вышеприведённые формулы b, c и UBE зависят от типа транзистора и режима его работы.

Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; UBE – в пределах 0,1…0,2.

Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; UBE – в пределах 0,6…0,7.

При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения UBE выбирают для больших значений IС.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник



Расчёт транзисторного усилительного каскада по схеме с общим
эмиттером (ОЭ).

Онлайн калькулятор номиналов элементов различных модификаций схем ОЭ,
выполненных на биполярных транзисторах.

Вооружившись знаниями, полученными на предыдущей странице, давайте перейдём к конкретным схемам. А начнём мы со схемы наиболее распространённого усилительного каскада, использующего включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи. При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера, а выходными величинами являются коллекторный ток и напряжение на коллекторе относительно эмиттера.
При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.
Основным плюсом включения транзистора по схеме усилителя с общим эмиттером (ОЭ) является способность получать наибольшее усиление по мощности, в связи со свойством такого каскада усиливать как ток, так и напряжение.

Собственно говоря, и характеристики у данной схемы очень схожи с теми, что мы рассматривали на предыдущей странице:

Ну а поскольку мы здесь рассматриваем упрощённый и сугубо частный случай, когда Rист > Rвых, то и мудрить особо не будем:

Для наглядной иллюстрации данного утверждения приведём формулы:

Данное схемотехническое решение позволяет производить регулировку усиления каскада в широких пределах, не меняя при этом режим транзистора по постоянному току.

Перенесу сюда калькулятор для расчёта характеристического сопротивления конденсатора.

Источник

Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ)! Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная и интересная, так что без лишних слов переходим к делу!

Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:

Схема с ОЭ для n-p-n транзистора.

А вот так – для p-n-p:

Схема с общим эмиттером.

Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность.

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер ( U_ <бэ>) и ток базы ( I_ <б>), а выходными – напряжение коллектор-эмиттер ( U_ <кэ>) и ток коллектора ( I_ <к>). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название статических. Другими словами статические характеристики транзистора – это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_ <кэ>):

Входные характеристики биполярного транзистора.

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_ <кэ>= 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_ <кэ>ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Выходные характеристики биполярного транзистора.

Видим, что при небольших значениях U_ <кэ>коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_ <кэ>(зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора.

Читайте также:  Протектор от утечку тока

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Режимы работы биполярного транзистора.

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_ <бэ>, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано 🙂

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_ <кэ>(возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta , несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_ <кэ>уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_ <кб>. И при определенном значении U_ <кэ>= U_ <кэ \medspace нас>напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_ <кэ>ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_ <б>= 0 . Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_ ) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Основные параметры биполярных транзисторов.

Давайте теперь рассмотрим, какие существуют параметры биполярных транзисторов, и какие предельные значения они могут принимать.

I_ <КБО>( I_ ) – обратный ток коллектора – ток через коллекторный переход при определенном обратном напряжении на переходе коллектор-база и разомкнутой цепи эмиттера.
I_ <ЭБО>( I_ ) – обратный ток эмиттера – ток через эмиттерный переход при определенном обратном напряжении на переходе эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.
I_ <КЭО>( I_ ) – аналогично, обратный ток коллектор-эмиттер – ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.
U_ <БЭ>( V_ ) – напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора.
U_ <КБ \medspace проб>( V_ <(BR) CBO>) – напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847:

Параметры транзистора.

U_ <ЭБ \medspace проб>( V_ <(BR) EBO>) – напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора.
U_ <КЭ \medspace проб>( V_ <(BR) CES>) – напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы.
Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер – U_ <КЭ \medspace нас>( V_ ) и U_ <БЭ \medspace нас>( V_ ).
Конечно же, важнейший параметр – статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером – h_ <21э>( h_ ). Для этого параметра обычно приводится диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения.
f_ <гр>( f_ ) – граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером. При использовании сигнала более высокой частоты транзистор не может быть использован в качестве усилительного элемента.
И еще один параметр, который следует отнести к важнейшим – I_ <К>( I_ ) – максимально допустимый постоянный ток коллектора.

И на этом заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание! Подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи 🙂

Источник

Схема каскада с фиксированным током базы

В схеме с общим эмиттером напряжение источника сигнала подается на базу, а усиленное напряжение снимается с коллектора. Для того, чтобы правильно задать рабочую точку транзистора (обеспечить режим работы транзистора) на базу необходимо подать начальный ток iб0. Для питания цепей коллектора и базы можно использовать разные источники питания, но это экономически нецелесообразно, поэтому режим транзистора по постоянному току задают от одного источника питания.

В простейшем случае ток на базе транзистора можно задать при помощи резистора. Такой вариант задания рабочего режима транзистора называется схемой с фиксированным током базы. Она применяется только в усилителях класса A. Схема включения транзистора с общим эмиттером с фиксированным током базы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема усилителя с фиксированным током базы

Расчет каскада всегда начинается с выхода схемы. Сначала задаются током коллектора транзистора, обычно . Чем меньше его значение, тем экономичней будет усилительный каскад и схема радиоэлектронного устройства в целом. Однако максимум усиления маломощного транзистора бывает обычно при значении коллекторного тока [3], поэтому задаются меньше этого значения, но стараются не сильно удаляться от него, чтобы не потерять усиление по мощности.

На схеме, приведенной на рисунке 1, ток задается резистором R1, а резистор R2 задает половину питания на коллекторе транзистора VT1. Выбор напряжения на коллекторе, равным половине питания усилительного каскада, связан с нелинейными искажениями на выходе схемы. При выборе напряжения больше половины питания, синусоидальное напряжение на выходе каскада будет обрезаться сверху. Это приведет к уменьшению максимального допустимого напряжения усилителя. При выборе коллекторного напряжения меньше половины питания, синусоидальное напряжение будет обрезаться снизу, что тоже приведет к снижению максимального допустимого напряжения сигнала на выходе каскада. Оптимальным является напряжение, равное половине питания схемы. При постепенном увеличении входного напряжения сигнала, синусоидальное напряжение сигнала на выходе будет одновременно ограничиваться сверху и снизу. Уровень допустимого напряжения сигнала усилительного каскада при этом будет максимальным.

Теперь можно определить значение номинала сопротивления резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Падение напряжения на резисторе R2 определим из закона Киргофа. По нему напряжение питания схемы равно сумме падений напряжения на транзисторе и резисторе R2:

Отсюда можно выразить падение напряжения на резисторе R2:

и далее по закону Ома находим сопротивление в цепи коллектора R2:

При напряжении питания 5 В и токе коллектора 2,5 мА напряжение Uкэ выбирают равным половине питания 2,5 В и сопротивление резистора R2 получится равным 1 кОм.

Аналогичным образом можно определить сопротивление в цепи базы транзистора — R1. Для этого сначала через h21э определим ток базы:

откуда определим ток базы:

И тогда сопротивление в цепи базы R1 будет равно:

Обратите внимание, что схема питания транзистора с фиксированным током базы может быть применена в любой из схем включения транзистора: с общим эмиттером, с общей базой или с общим коллектором.

В схеме с общим эмиттером входной сигнал подается на базу транзистора, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

В высокочастотных усилителях (усилителях радиочастоты) возможен вариант, где в качестве нагрузки транзисторного каскада служит дроссель. В этом случае рассчитывать резистор R2 не нужно и схема питания транзистора с фиксированным током базы приобретает вид, показанный на рисунке 3.

Рисунок 3 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

В высокочастотных усилителях часто для преобразования входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному значению 50 Ом используются фильтры низкой частоты с различными входным и выходным сопротивлениями. Подобный вариант усилителя с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим эмиттером

При этом часть емкости входного фильтра-трансформатора сопротивления вместе с конденсатором C2 образует входная емкость транзистора. Аналогично, выходная емкость транзистора вместе с конденсатором C4 образует емкость выходной согласующей цепи. В усилителях гигагерцового диапазона вместо сосредоточенных индуктивностей и емкостей в составе согласующих устройств применяются отрезки полосковых линий.

В схеме с общей базой входной сигнал подается на эмиттер транзистора. Каскад усилителя с общей базой, реализованный по схеме питания транзистора с фиксированным током базы приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общей базой

Как легко можно увидеть, это схема питания транзистора, приведенная на рисунке 1, в которой входной сигнал подан между базой и эмиттером. Выходное напряжение снимается с резистора R2. Усилители с общей базой применяются в основном на высоких частотах, поэтому вместо резистора R2 удобнее применять дроссель, как это делалось в схеме на рисунке 3. Схема подобного усилителя приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общей базой

В схеме с общим коллектором сигнал подается на базу транзистора, но в отличие от схемы с общим эмиттером выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Это решение позволяет получать минимальное выходное сопротивление усилителя, поэтому чаще всего используется в качестве буферного усилителя для развязки выхода одной схемы от входа другой. Пример схемы с фиксированным током базы для транзистора, включенного с общим коллектором, приведен на рисунке 7.

Рисунок 7 Схема с фиксированным током базы в каскаде с общим коллектором

В качестве недостатка схемы питания транзистора с фиксированным током базы следует отметить нестабильность параметров. Коэффициент усиления транзистора по току может сильно меняться от экземпляра к экземпляру, изменяться от температуры или с течением времени (старение элементов схемы). Обычный разброс коэффициента усиления по току составляет (транзистор КТ315Б), а с учетом влияния температуры — . Отношение максимального значения к минимальному составляет почти 20 раз! Во столько же раз будет меняться и ток потребления. В схемах, приведенных на рисунках 2 и 5 это приведет к полной потере работоспособности, в остальных случаях приводит к изменению коэффициента усиления и перегреву транзисторов.

Для устранения указанных недостатков были разработаны специальные схемы стабилизации рабочего режима транзистора: коллекторная стабилизация и эмиттерная стабилизация режима работы транзистора. В современных микросхемах применяются дифференциальные каскады.

Дата последнего обновления файла 18.07.2018

Источник