Исследование схемы усилителя с общим эмиттером

Цель работы

Изучение работы и исследование основных характеристик транзисторного усилителя с ОЭ.

Пояснения к работе

Схема усилителя с общим эмиттером приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема усилителя с общим эмиттером

В схеме с помощью делителя напряжения R1дR2д задаётся такое напряжение Uб, при котором в отсутствии входного сигнала Uвх напряжение Uбэ = Uб – Uэ становится больше 0,6 В (для кремниевого транзистора при температуре окружающей среды 20 °С), переход база-эмиттер транзистора открывается и через него начинает протекать ток базы Iб, который вызывает протекание тока коллектора Iк:

Iк = Iб·h_21Э, (1)

где h_21Э – коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общим эмиттером. Этот ток вызывает падение напряжения на сопротивлении Rк, в результате чего напряжение на коллекторе

Uк = Еп – Rк·Iк. (2)

Сопротивления делителя напряжения выбираются таким образом, чтобы при отсутствии входного сигнала напряжение на коллекторе составляло примерно 0,5Еп, чем обеспечивается линейный режим работы схемы.

Разделительные ёмкости C1р и С2р препятствуют попаданию постоянных напряжений Uб и Uк в цепь источника входного сигнала и на сопротивление нагрузки Rн. Из-за наличия разделительных ёмкостей рассматриваемая схема является усилителем сигналов переменного тока.

При увеличении входного напряжения Uвх ток базы Iб также будет возрастать, что приведёт, согласно (1), к увеличению тока коллектора Iк, при этом напряжение коллектора Uк будет уменьшаться, согласно (2). Наоборот, при уменьшении Uвх напряжение Uк будет возрастать. Таким образом, если напряжение Uвх является синусоидальным, то выходное напряжение Uн тоже будет синусоидальным, но перевёрнутым относительно входного, как показано на рис. 2. Следовательно, схема с общим эмиттером является инвертирующим усилителем.

Рис. 2. Входное и выходное напряжения схемы с общим эмиттером

Коэффициент усиления схемы определяется следующим выражением [1]:

K = ΔUвых / ΔUвх = (Rк || Rн) / (Rэ + r_э), (3)

где Rк || Rн – общее сопротивление, параллельно соединённых сопротивлений Rк и Rн (эти сопротивления соединены параллельно по переменному току через ёмкость С2р и источник питания), r_э – собственное сопротивление эмиттера биполярного транзистора, выраженное в омах [1]:

r_э = 25 / Iк[мА]. (4)

Как правило, в реальных схемах выполняются условия Rк << Rн и Rэ >> r_э, поэтому при практических расчётах обычно используют упрощённую формулу, получаемую из (3):

K ≈ Rк / Rэ . (5)

Сопротивление в цепи эмиттера Rэ не только определяет коэффициент усиления схемы, но и служит для температурной стабилизации режима работы по постоянному току. Наличие такой стабилизации является обязательным условием нормальной работы усилителя в широком диапазоне температур окружающей среды. Дело в том, что напряжение Uбэ, при котором транзистор открывается, сильно зависит от температуры (температурный коэффициент имеет величину порядка –2 мВ/°С). Например, если окружающая температура превышает 20 °С, кремниевый транзистор начинает открываться при напряжении Uбэ, меньшем 0,6 В. В рассматриваемой схеме напряжение Uб = const и не зависит от температуры, поскольку оно жестко задано с помощью делителя R1дR2д. Следовательно, при увеличении температуры транзистор начнёт открываться сильнее, т.е. токи Iб и соответственно Iк будут возрастать. Но при этом увеличится ток, протекающий в цепи эмиттера транзистора Iэ, поскольку он определяется суммой токов Iк и Iб. В результате увеличится падение напряжения на сопротивлении эмиттера Uэ. Но при этом напряжение Uбэ = Uб – Uэ уменьшится, что приведёт к частичному закрыванию транзистора, таким образом, увеличение тока Iк будет скомпенсировано. Работа системы температурной стабилизации будет тем лучше, чем выше величина сопротивления Rэ, поскольку даже небольшое изменение тока Iк будет вызывать значительное изменение напряжения Uэ (а следовательно, и напряжения Uбэ), что увеличивает точность работы системы термостабилизации.

Величина входного сопротивления усилителя с общим эмиттером для переменного сигнала определяется следующим выражением (сопротивления R1д и R2д соединены параллельно через источник питания) [1]:

Rвх = R1д || R2д. (6)

Выходное сопротивление усилителя практически определяется величиной сопротивления в цепи коллектора:

Rвых = Rк. (7)

Полоса пропускания усилителя с общим эмиттером ограничена снизу величинами разделительных емкостей C1р иС2р, поэтому их номиналы выбираются таким образом, чтобы их емкостные сопротивления х_C1p и х_C2p при минимальной частоте входного сигнала fmin удовлетворяли следующим условиям:

х_C1p << Rвх, х_C2p << Rвх. (8)

Сверху полоса пропускания ограничена инерционными процессами, происходящими в транзисторе. С повышением частоты f коэффициент передачи по току h_21Э уменьшается, что становится особенно заметным при f > f_h21, где f_h21 – предельная частота коэффициента передачи по току биполярного транзистора [3]. Следовательно, при проектировании усилителя следует выбирать транзисторы, у которых f_h21 > fmax, где fmax – максимальная частота входного сигнала.

Для расчёта схемы необходимо задать: диапазон частот входного сигнала fmin…fmax, коэффициент усиления по напряжению К, напряжение питания Еп и сопротивление нагрузки Rн. После задания этих величин можно рассчитать номиналы элементов схемы и выбрать транзистор.

Рассмотрим пример расчёта усилителя с ОЭ:

Исходные данные: fmin = 20 Гц, fmax = 20 кГц, К = 10, Eп = 12 В, Rн = = 10 кОм.

1. Выбирается номинал сопротивления Rк << Rн. При обеспечении этого условия нагрузка практически не влияет на работу усилителя. Выбираем Rк = 1 кОм << 10 кОм.

2. Каскад должен работать в режиме А. Для этого, при отсутствии входного сигнала, постоянное напряжение на коллекторе транзистора Uк должно составлять 0,5∙Eп. Следовательно, коллекторный ток транзистора Iк, согласно закону Ома, будет равен:

Iк = (Еп - Uк) / Rк = 0,5∙Eп / Rк.

Рассчитывая ток коллектора по этой формуле, получаем

Iк = 0,5∙12В / 10кОм = 6 мА.

3. Выбирается тип биполярного транзистора [4], исходя из следующих критериев:

- максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ max ≥ 1,5∙Eп (в нашем примере Uкэ max ≥ 18 В);

- максимально допустимый ток коллектора Iк max ≥ 2∙Iк (Iк max ≥ 12 мА);

- минимальная величина коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ h_{21Э min} ≥ 10 ( В справочниках по транзисторам приводятся пределы изменения этой величины: h_{21Э min} … h_{21Э max}, причём на практике при возможности желательно выбирать транзисторы с h_{21Э min} ≥ 40 );

- предельная частота коэффициента передачи по току f_h21>fmах (f_h21>20 кГц).

На основании этих критериев из справочника выбирается биполярный транзистор, в нашем случае можно, например, выбрать транзистор типа КТ315А, который имеет следующие параметры:

Uкэ max = 25 В; Iк max = 250 мА, h_{21Э min} = 30, f_h21 = 250 МГц.

4. Исходя из заданной величины коэффициента усиления по напряжению определяется значение Rэ:

Rэ = Rк / K,

Rэ = 1 кОм / 10 = 0,1 кОм = 100 Ом.

5. Согласно закону Ома определяется потенциал эмиттера транзистора:

Uэ ≈ Iк∙Rэ,

Uэ ≈ 6 мА∙0,1 кОм = 0,6 В.

6. Определяется потенциал базы Uб. Для того чтобы транзистор структуры n-p-n открылся, необходимо потенциал базы превышал потенциал эмиттера примерно на 0,6 В:

Uб = Uэ + 0,6 В,

Uб = 0,6 В + 0,6 В = 1,2 В.

7. Определяется значение тока, втекающего в базу биполярного транзистора в схеме с ОЭ:

Iб = Iк / h_{21Э min},

Iб = 6 мА / 30 = 0,2 мА.

8. Определяются номиналы сопротивлений делителя напряжения в цепи базы. Сначала выбирается значение тока, протекающего через делитель напряжения (Iд >> Iб), поскольку при таком условии потенциал Uб практически полностью определяется делителем напряжения и изменение тока Iб практически на него не влияет. В нашем случае следует выбрать Iд = 2 мА >> 0,2 мА. Затем рассчитываются номиналы сопротивлений R1д и R2д:

R1д = (Еп - Uб) / Iд,

R1д = (12 В – 1,2 В) / 2 мА = 5,4 кОм;

R2д = Uб / Iд,

R2д = 1,2 В / 2 мА = 0,6 кОм.

Вычисленные значения сопротивлений отличаются от стандартного ряда, поэтому выберем ближайшие значения из ряда Е24: R1д = 5,6 кОм; R2д = = 620 Ом.

9. Определяются номиналы разделительных ёмкостей (при этом необходимо значение частоты брать в герцах, а значение сопротивлений – в омах, тогда значение ёмкости получится в фарадах):

,

.

Для нашего примера из ряда Е12 выбираем С1р = 220 мкФ, С2р = 10 мкФ.

Расчёт схемы закончен.

Порядок проведения лабораторной работы

1. По заданным преподавателем диапазону частот fmin…fmax, коэффициенту усиления К, напряжению питания Еп и сопротивлению нагрузки Rн рассчитать номиналы элементов схемы. Номиналы резисторов следует выбрать из ряда Е24, а номиналы конденсаторов – из ряда Е12. Выбранный транзистор обязательно должен иметь зарубежный аналог в библиотеке Microcap.

2. Нарисовать схему усилителя с ОЭ в Microcap.

3. Установить на вход схемы модель источника ЭДС, выбрав его тип из меню: