Как найти сопротивление эмиттера транзистора

Параметры и эквивалентная схема биполярного транзистора.

Схемы ОБ, ОЭ, ОК. Свойства, характеристики усилительных каскадов
в зависимости от схемы включения.

Одной из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, является усиление сигнала.
Усилительным устройством является любое устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала, а в качестве активных
элементов чаще всего применяются полупроводниковые элементы — транзисторы.

Занимаясь проектированием электронных устройств, желательно выбирать транзисторы с такими расчётом, чтобы частотные характеристики
позволяли им работать на частотах, не превышающих значений (0,2…0,3), а лучше 0,1 от граничной (единичной) частоты усиления fт.

При выполнении этого простого правила, появляется возможность воспользоваться упрощённой моделью, а другими словами — малосигнальной
эквивалентной схемой транзистора, изображённой на Рис.1.
Схема приведена для npn полупроводников, для транзисторов pnp структуры — всё остаётся без изменений, меняется лишь направление
источника тока.

Параметры элементов эквивалентной схемы можно определить на основе справочных данных на транзистор либо, при их отсутствии, некоторого
набора незамысловатых формул.

Рис.1

Итак:

r_б = τ_ос / C_к
— объёмное сопротивление базы, где τ_ос —
постоянная времени внутренней обратной связи транзистора, а
C_к — ёмкость коллектор-база транзистора.
Причём, если параметр Ск фигурирует практически в любом справочнике, то «постоянная времени цепи обратной связи
на высокой частоте» указывается отнюдь не везде и не для каждого транзистора.
Однако, тут важно понимать то, что величина объёмного сопротивления базы БТ определяется чисто геометрическими особенностями конструкции
транзистора и находится в обратной пропорции к объёму переходов (а соответственно и мощности) полупроводника. А покопавшись по справочникам
и систематизировав поученную информацию, появляется возможность сформулировать формулу, позволяющую приблизительно оценить
величину объёмного сопротивления базы любого транзистора:
r_б(Ом) ≈ 10 / Р_макс(Вт),
где Р_макс — максимальная рассеиваемая мощность транзистора.

Едем дальше:
r_э(Ом) = 25,6 / I_э(мА) — активное сопротивление
эмиттера , где
I_э — ток эмиттера.

r_к = ∆U_кэ / ∆I_к (при I_б = const)
— дифференциальное сопротивление обратно
смещённого коллекторного перехода.
Наличие данного сопротивления не позволяет транзистору являться идеальным источником тока и обуславливает
наличие пресловутого эффекта Эрли — эффекта зависимости тока коллектора (при постоянном токе базы) от напряжения Uкэ.
Величина сопротивления коллекторного перехода гк обратна пропорциональна току эмиттера, определяется экспериментально и иногда приводится
производителями полупроводников в виде статической характеристики зависимости тока коллектора Iк от изменения напряжения Uкэ.

На Рис.2 приведён пример такой зависимости для npn транзистора BC546.

Что мы видим? При токе базы, равном 50мкА, а соответственно при токе коллектора Iк = h21э х Iб ≈ 260 х 50 = 13мА, график кривой практически
не имеет наклона, что даёт нам возможность считать сопротивление rк очень большим (не менее десятка мегаом).

При Iб = 100мкА (Iэ ≈ 26мА), rк = ∆Uкэ/∆Iк ≈ (14В — 3В)/(30мА-26мА) = 2,75мОМ.

Ну и т.д. и т.п. Чем больше ток транзистора, тем ниже значение сопротивления rк.

Рис.2

На эквивалентной схеме у нас фигурирует два конденсатора:

С_к — ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и
С_э — диффузионная ёмкость эмиттера являются справочными характеристиками,
повсеместно фигурируют в Datasheet-ах производителей и являются важной неотъемлемой частью, определяющей частотные свойства
полупроводников.

Далее на повестке — источник тока, который описан в эквивалентной схеме величиной
I_к = α x I_э , где
α = β / (1 + β) .

А для того, чтобы понять чему равен ток эмиттера Iэ, и как он зависит от входного сигнала, необходимо рассмотреть различные
схемы включения транзистора. Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема
с общим коллектором (ОК). Все эти схемы показаны на Рис.3.

Рис.3

Для схемы с общей базой (Рис.3 слева) входным сигналом является напряжение,
поданное между эмиттером и базой транзистора,
поэтому:
R_вх ≈ r_э ;
I_э = U_вх / (R_ист + r_э), где
Rист — выходное сопротивление источника сигнала ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) ;
R_вых = (r_к + r_э) ll R_к ;
K_u = α x R_к / (r_э + R_ист) ≈
R_к / (r_э + R_ист) ;
K_i = β / (1 + β) .
Схема с ОБ применяется в основном в высокочастотных приложениях, так как по своим частотным свойствам она имеет преимущества перед
схемой ОЭ.
Недостатками данной схемы являются отсутствие усиления по току и существенно меньшее входное сопротивление, чем в схеме ОЭ.

Для схемы с общим эмиттером (Рис.3 в центре):
R_вх = r_э x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = I_б + I_к = I_б x (1 + β) ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β
;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)]
;
K_u = — β x R_к / [(β + 1) x r_э] ≈ R_к / r_э
;

K_i = β .

Каскады с общим эмиттером (ОЭ) являются наиболее распространёнными, т.к. обеспечивают усиление входного сигнала как по напряжению,
так и по току. При этом они имеют значительно большее значение входного сопротивления, чем схемы с ОБ.
Схема ОЭ инвертирует сигнал, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.


Недостатками данной схемы являются худшие по сравнению со схемой ОБ частотные свойства. Объясняется это явление тем, что в схеме с
ОЭ ёмкость Ск образует частотозависимую обратную связь с выхода на вход так, что возникает интегрирующая цепь, ограничивающая усиление
на высоких частотах.
Внутреннее сопротивление rк в схеме с ОЭ также является резистором обратной связи, ответвляющим часть сигнала с
выхода на вход. Это, в свою очередь, является причиной снижения выходного сопротивления усилителя по сравнению с ОБ.

И, наконец, схема с общим коллектором (Рис.3 справа), она же эмиттерный
повторитель:
R_вх = (r_э + R_э) x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = (β + 1) x I_б ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β
;
R_вых = r_э + R_ист / (1 + β) ;
K_u = R_э / [R_э + r_э + R_ист / (1 + β)]
;

K_i = β + 1 .

Как уже было сказано — данные формулы расчёта малосигнальных схем являются приблизительными, не учитывают частотных
свойств транзисторов и могут обеспечить приемлемую точность вычислений только в случае выбора полупроводников с большим
запасом по максимальной частоте.
К тому же практически все параметры, представленные в справочных источниках, приводятся для определённых (тестовых) начальных токов
транзисторов и могут иметь значительные расхождения при переводе полупроводника в другой, сильно отличающийся от тестового, режим.

А на следующих страницах рассмотрим практические схемы транзисторных каскадов ОБ, ОЭ и ОК, а также приведём методики по расчёту
сопутствующих им элементов.

1. Радиоэлектроника
2. Схемотехника
3. Основы электроники и схемотехники
4. Том 3 – Полупроводниковые приборы

1. Книги / руководства / серии статей
2. Основы электроники и схемотехники. Том 3. Полупроводниковые приборы

Добавлено 26 января 2018 в 06:04

Входное сопротивление усилителя значительно варьируется в зависимости от конфигурации схемы, как показано на рисунке ниже. Оно также зависит от смещения. Здесь не учитывается, что входной импеданс является комплексной величиной и зависит от частоты. Для схем с общим эмиттером и общим коллектором он равен сопротивлению базы, умноженному на коэффициент β. Сопротивление базы по отношению к транзистору может быть как внутренним, так и внешним. Для схемы с общим коллектором:

(R_{вх} = beta R_Э)

Для схемы с общим эмиттером немного сложнее. Нам необходимо знать внутреннее сопротивление эмиттера r_Э. Оно вычисляется по формуле:

(r_Э = KT/I_Э m)

где

• K=1.38×10-23 Дж·К−1 – постоянная Больцмана;
• T – температура в Кельвинах, берем ≅300;
• IЭ – ток эмиттера;
• m – для кремния изменяется от 1 до 2.

(r_Э = 0,026 В/I_Э = 26 мВ/I_Э)

Таким образом, R_вх для схемы с общим эмиттером равно:

(R_{вх} = beta r_{Э})

Например, входное сопротивление усилителя на транзисторе с β = 100, на схеме с общим эмиттером и смещением 1 мА равно:

(r_Э = 26 мВ/ 1 мА = 26 ;Ом)

(R_{вх} = beta r_Э = 100 cdot 26 = 2600 ;Ом)

Для более точного определения R_вх для схемы с общим коллектором необходимо учитывать R_Э:

(R_{вх} = beta (R_Э + r_Э))

Формула выше также применима и для схемы с общим эмиттером с резистором эмиттера.

Входной импеданс схемы с общей базой равен R_вх = r_Э.

Высокий входной импеданс схемы с общим коллектором согласовывается с источниками с высоким выходным сопротивлением. Одним из таких источников с высоким импедансом является керамический микрофон. Схема с общей базой иногда используется в RF (радиочастотных) схемах для согласования с источником с низким импедансом, например, с коаксиальным кабелем 50 Ом. С источниками со средним импедансом хорошо согласуется схема с общим эмиттером. Примером может служить динамический микрофон.

Выходные сопротивления трех основных типов схем приведены на рисунке ниже. Средний выходной импеданс схемы с общим эмиттером сделал ее самой популярной в использовании. Низкое выходное сопротивление схемы с общим коллектором хорошо подходит для согласования, например, для бестрансформаторного соединения с 4-омным динамиком.

Подведем итоги

Смотрите рисунок выше.

Теги

Биполярный транзисторВходной импедансВыходной импедансКаскад с общей базойКаскад с общим коллекторомКаскад с общим эмиттеромКаскодный усилительКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеЭлектроника

ТРАНЗИСТОР — это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или Gе — германия), содержащего не менее трёх областей с различной — электронной (n) и дырочной (p) — проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых — либо электроны, либо дырки. Термн «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы.

У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.

Схемы включения транзистора

Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное — от единиц до десятков килоом.

Схема включения транзистора с общим коллектором – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом — единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов — как «буферный каскад». Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель.

Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой. Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как «чужую» схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора — базы на выходе — не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор «сажают» по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод — эмиттер через низкоомный резистор «сажают» на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой — тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление — от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление — от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры — редкая потребность.

Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.

Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.

Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R_б1 и R_б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R_к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R_э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.

Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R₂ делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R₁ делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R₂ делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:

Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.

Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.

Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).

Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I_б – U_бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I_к – U_кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I_R – U_R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R_к, который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.

На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С. Средняя точка – В, является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.

По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С, транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А. При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R_к, наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С, до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R_к., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.

По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.

---

Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:

• Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);

• Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;

• В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;

• Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h₂₁. Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);

• Коллекторное (R_к) и эмиттерное (R_э) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R_вх=R_э*h₂₁, а выходное равно R_вых=R_к. Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R_э;

• Номиналы резисторов R_к и R_э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.

Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ

Исходные данные:

Питающее напряжение U_и.п.=12 В.

Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:

P_max=150 мВт; I_max=150 мА; h₂₁>50.

Принимаем R_к=10*R_э

Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U_бэ = 0,66 В

Решение:

1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.

Принимаем P_рас.max=0,8*P_max=0,8*150 мВт=120 мВт

2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):

I_к0=P_рас.max/U_кэ0=P_рас.max/(U_и.п./2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.

3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:

(R_к+R_э)=(U_и.п./2)/I_к0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.

Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R_к=10*R_э, находим значения резисторов :

R_к = 270 Ом; R_э = 27 Ом.

4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.

U_к0=(U_кэ0+ I_к0*R_э)=(U_и.п.— I_к0*R_к) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.

5. Определим ток базы управления транзистором:

I_б=I_к/h₂₁=[U_и.п./(R_к+R_э)]/h₂₁ = [12 В / (270 Ом + 27 Ом)] / 50 = 0,8 мА.

6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R_б1,R_б2. Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I_б, чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:

R_б1,R_б2: I_дел.=10*I_б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.

Тогда полное сопротивление резисторов

R_б1+R_б2=U_и.п./I_дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.

7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:

U_э=I_к0*R_э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,

где I_к0 — ток покоя транзистора.

8. Определяем напряжение на базе

U_б=U_э+U_бэ=0,54 В+0,66 В=1,2 В

Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:

R_б2= (R_б1+R_б2)*U_б/U_и.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 ОмR_б1= (R_б1+R_б2)-R_б2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.

По резисторному ряду , в связи с тем, что через резистор R_б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R_б1=1,3 кОм.

9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.

На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t_н=R_вх*C_вх, где R_вх=R_э*h₂₁, C_вх — разделительная входная емкость каскада. C_вых транзисторного каскада, это C_вх следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f_н=1/t_н. Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t_н=1/(R_вх*C_вх)<<f_н в 30-100 раз для всех каскадов. При этом чем больше каскадов, тем больше должна быть разница. Каждый каскад со своим конденсатором добавляет свой спад АЧХ. Обычно, достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ. Но последний каскад, через Cвых обычно нагружен низкоомным сопротивлением динамических головок, поэтому емкость увеличивают до 500,0-2000,0 мкФ, бывает и больше.

Спад АЧХ в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда tв=Rвых*Cк=RкCк, где Cк — паразитная емкость коллекторного перехода (указывается в справочниках). Для звуковых частот, емкость коллекторного перехода незначительна, поэтому паразитной ёмкостью можно пренебречь.

---

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R_б1. Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R_б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Расчёт транзисторного каскада окончен.

Лекция №8

Входное и выходное сопротивление
эмиттерного посторителя

— входное сопротивление эмиттерного
повторителя;

—
выходное сопротивление эмиттерного
повторителя;

— коэффициент усиления транзистора по
току;

—
сопротивление нагрузки эмиттерного
повторителя;

— сопротивление источника сигнала для
эмиттерного повторителя.

Оценка коэффициента усиления для
усилителя с общим эмиттером

Напряжение
на коллекторе транзистора равно

U_к = U_кк — I_кR_к

(1)

Допустим, на вход схемы подано напряжение
,
тогда напряжение на эмиттере транзистора
изменится на величину
.
Ток эмиттера, соответственно тоже
изменится на величину
.
Поскольку
,
то справедливо будет
.
Из уравнения (1) следует, что если ток

увеличится на величину
,
то напряжение на коллекторе транзистора
уменьшится на величину
:

Поскольку
—
изменение выходного напряжения, а
—
изменение входного напряжения, то
коэффициент усиления по напряжению
можно записать в виде:

Знак минус в этой формуле говорит о том,
что положительный сигнал на входе дает
отрицательный сигнал на выходе (как вы
помните, усилитель с общим эмиттером
иныертирует фазу усиливаемого сигнала).

По приведенной выше формуле, вы зная
значение сопротивлений

и

можете вычислить коэффициент усиления
усилителя с общим эмиттером.

Возникает вопрос, как поступить, если

равно нулю (эмиттер соединен с землей).
В этом случае роль

выполняет собственное сопротивление
эмиттера. Как оценить величину этого
сопротивления будет показано в одном
из следующих разделов.

Модель Эберса-Молла

Простейший вариант модели полупроводникового
p-n-p
транзистора показан на рисунке ниже.
Схема состоит из двух идеальных диодов,
включенных встречно, и двух источников
тока, наличие которых обусловлено
переносом неосновных носителей через
нейтральную область базы. Модель
основывается на уравнении диода.

_I₂
I₁

Э
VD1 VD2 К

I_э
I₁
I₂
I_к

Б

Уравнения, описывающие работу модели:

I₁
= I_э0[exp(U_эб/_т)
— 1],

I₂
=
I_к0[exp(U_кб/_т)
— 1],

I_э
=
I₁ —
_I₂,

I_к
=
I₁-I₂.

I_э0
– обратный ток диода база-эмиттер;

I_к0
– обратный
ток диода база-коллектор;

U_эб
– напряжение
между базой и эмиттером;

U_кб
– напряжение
между базой и коллектором;

_т=kT/e
– тепловой потенциал. _т=25.3
мВ при комнатной температуре;

 — коэффициент
усиления по току транзистора, включенного
по схеме с общей базой (<1);

_ —
инверсный коэффициент усиления по току.

Важным следствием
из модели Эберса-Молла является формула
связывающая ток коллектора и напряжение
приложенное к базе:

I_к
≈
I_к0[exp(U_эб/_т)
— 1]

I_к0
– обратный
ток колекторного перехода (очень мал.,
зависит от температуры);

В активном режиме
работы транзистора I_к
>> I_к0,
поэтому формулу можно переписать
следующим образом:

I_к
≈
I_к0
exp(U_эб/_т)

Из приведенного выше выражения найдем
зависимость напряжения между базой и
эмиттером от тока коллектора:

Если мы возьмем производную от
по
,
то получим значение дифференциального
сопротивления эмиттера:

— это собственное сопротивление
эмиттерного перехода. Именно это
сопротивление стоит в знаменателе при
определении коэффициента усиления по
напряжению (),
когда эмиттер заземлен.

С учетом
,
перепишем формулу для коэффициента
усиления по напряжению каскада с общим
эмиттером:

Таким образом, при расчете коэффициента
усиления,

особенно следует учитывать в случае
если

имеет малую величину, или отсутствует
вообще (эмиттер заземлен).

Составной
транзистор – схема Дарлингтона

Составной транзистор (транзистор
Дарлингтона) — объединение двух или
более биполярных транзисторов с целью
увеличения коэффициента усиления по
току.

Составной транзистор является каскадным
соединением нескольких транзисторов,
включенных по схеме с общим коллектором.
Нагрузкой предыдущего каскада является
переход база-эмиттер транзистора
следующего каскада, то есть транзисторы
соединяются коллекторами, а эмиттер
входного транзистора соединяется с
базой выходного. Кроме того, может
использоваться нагрузка в виде резистора.
Такое соединение рассматривают как
один транзистор, коэффициент усиления
по току которого при работе транзисторов
в активном режиме приблизительно равен
произведению коэффициентов усиления
первого и второго транзисторов:

Составной транзистор имеет три вывода
(база, эмиттер и коллектор), которые
эквивалентны выводам обычного одиночного
транзистора. Коэффициент усиления по
току типичного составного транзистора,
иногда называемый «супербетта», у
мощных транзисторов равен ~1000 и у
маломощных транзисторов ~50000. Это
означает, что небольшого тока базы
достаточно для того, чтобы составной
транзистор открылся.

Достоинства составного транзистора:

• Высокий коэффициент усиления по току.

Недостатки составного транзистора:

• Низкое быстродействие, особенно перехода
  из открытого состояния в закрытое. По
  этой причине составные транзисторы
  используются преимущественно в
  низкочастотных ключевых и усилительных
  схемах.

• Прямое падение напряжения на переходе
  база-эмиттер почти в два раза больше
  чем в обычном транзисторе и составляет
  для кремниевых транзисторов около 1.2
  — 1.4 В (не может быть меньше, чем удвоенное
  падение напряжения на p-n переходе).

• Большое напряжение насыщения
  коллектор-эмиттер, для кремниевого
  транзистора около 0.9 В (по сравнению с
  0.2 у обычных транзисторов) для маломощных
  транзисторов и около 2 В для транзисторов
  большой мощности (не может быть меньше,
  падение напряжения на p-n переходе плюс
  падение напряжения на насыщенном
  входном транзисторе).

Применение нагрузочного резистора R1
позволяет улучшить некоторые характеристики
составного транзистора. Величина
резистора выбирается с таким расчётом,
чтобы ток коллектор-эмиттер транзистора
VT1 в закрытом состоянии создавал на
резисторе падение напряжение, недостаточное
для открытия транзистора VT2. Таким
образом, ток утечки транзистора VT1
не усиливается транзистором VT2, тем
самым уменьшается общий ток коллектор-эмиттер
составного транзистора в закрытом
состоянии.

Кроме того, применение резистора R1
способствует увеличению быстродействия
составного транзистора за счёт
форсирования закрытия транзистора
VT2.

Схемы двухтактных
усилителей мощности

Дифференциальный
усилитель

Дифференциальным усилителем называется
усилитель разности напряжений.

Rк1 = Rк2 = Rк.

Транзисторы VT1 и VT2 подбираются одинаковыми
по коэффициенту усиления. Резисторы
Rк1 и Rк2 также подбираются одинаковыми
по величине своего сопротивления.

Представим, что на оба входа подаём
одинаковое напряжение Uвх1 = Uвх2. В этом
случае токи через транзисторы VT1 и VT2
будут одинаковыми. Суммарный ток через
Rэ обозначим через Iо. Тогда:

Представим, что Uвх1 > Uвх2. На первый
вход подадим более положительное
напряжение, чем на второй вход. В этом
случае транзистор VT1 откроется в большей
степени, чем транзистор VT2. Ток через
транзистор VT1 увеличится на определённую
величину ΔIo, а ток через VT2 уменьшится
на такую же величину ΔIo, поскольку
суммарный ток постоянен и равен Io.

Если на первый вход будем подавать
бoльшее значение напряжение, чем на
второй вход, то на выходе получится
отрицательное значение напряжения,
поэтому первый вход называется
инвертирующим входом.

Если Uвх1 < Uвх2, то Uвых = +2 ∙ ΔIo ∙ Rк и
поэтому второй вход дифференциального
усилителя называется неинвертирующим
входом.

Важной характеристикой дифференциального
усилителя является его способность
усиливать дифференциальный сигнал
(разность входных напряжений), но не
усиливать сами сигналы. Предположим,
что V1 = 0.1 мВ, V2 = 0 В, a Vout = 50 мВ. Коэффициент
усиления дифференциального сигнала:

При увеличении напряжений V1 и V2 на 1 мВ:
V1 = 1.1 мВ, V2 = 1 мВ, напряжение на выходе
станет Vout = 52 мВ. Значит, коэффициент
усиления синфазного входного сигнала
составит:

Способность усилителя усиливать
дифференциальные сигналы, подавляя при
этом синфазные сигналы, называется
коэффициентом ослабления синфазного
сигнала, или КОСС, и определяется как:

КОСС улучшается, если приблизить
характеристики резистора R3 к характеристикам
генератора тока постоянной величины.
Для задания постоянного тока, протекающего
через эмиттеры транзисторов, часто
используют источник тока на транзисторе.
Характеристики такого дифференциального
усилителя будут намного лучше, чем когда
ток задается при помощи резистора.

Соседние файлы в папке lections_2013

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Сопротивление — эмиттер

Cтраница 1

Сопротивление эмиттера ( га) определяется из отношения изменения напряжения между базой и эмиттером к вызвавшему его изменению тока коллектора при постоянном токе базы.
 [1]

Сопротивление эмиттера ( R) определяется из отношения изменения напряжения между базой и эмиттером к вызвавшему его изменению тока коллектора при постоянном токе базы.
 [2]

Сопротивление эмиттера — параметр транзистора, появляющийся при составлении Т — образных эквивалентных схем транзистора.
 [3]

Сопротивление эмиттера — параметр биполярного транзистора, появляющийся при составлении Т — образных эквивалентных схем транзистора.
 [4]

Сопротивление эмиттера согласно (5.33) растет с температурой.
 [6]

Сопротивление эмиттера не зависит от площади эмиттер-ного электрода и определяется только постоянным током эмиттера. Так как высокочастотные транзисторы имеют меньшую площадь перехода и меньшую величину зарядной емкости, то влияние последней на эффективность эмиттера на высоких частотах будет значительно ослаблено. Однако при малых толщинах базы влияние у на ход частотной характеристики а может оказаться существенным.
 [7]

Сопротивление эмиттера транзистора второго каскада, как это следует из проведенного ранее расчета, гэ2 4 5 ом.
 [8]

Определим сопротивления эмиттера, коллектора и базы.
 [9]

Обычно сопротивление эмиттера намного меньше RE, и им можно пренебречь.
 [11]

Величина сопротивления эмиттера гэ для переменного тока ia определяется вольтамперной характеристикой эмиттерного перехода.
 [12]

Определим значение сопротивлений эмиттера, коллектора и базы.
 [13]

С ростом тока сопротивление эмиттера уменьшается и весь ток протекает через него, вольтамперная характеристика описывается кривой 2, вследствие чего и образуется участок отрицательного сопротивления.
 [14]

Таким образом, сопротивление эмиттера у бездрейфового транзистора меньше, чем у дрейфового, примерно вдвое. Это обусловлено тем, что сопротивление эмиттера в бездрейфовых транзисторах отражает не только изменение тока эмиттера при изменении напряжения, но и учитывает влияние модуляции толщины базы. В дрейфовых транзисторах ток эмиттера в значительной степени определяется электрическим полем; следовательно, роль модуляции толщины базы в данном случае меньше.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4