Для усилительного каскада с общим эмиттером определить напряжение

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.

Начнём с простейшей схемы усилительного каскада с общим эмиттером, представленной на Рис.1. Данный каскад содержит минимальное количество элементов, однако обладает существенным недостатком в виде малой эффективности термостабилизации.

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

R_вх = [r_э x (1 + β)] ll R_б1 ;
I_б = (Е_к — U_бэ)/R_б1 , где Uбэ = 0,6. 0,7В для кремниевого транзистора и 0,3. 0,4 — для германиевого;
I_к = I_б x β ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / r_э .

Рис.1

Более высокую термостабильность имеет каскад с ОЭ, схема которого приведена на Рис.2.
Термостабилизация в этой схеме осуществляется за счёт отрицательной обратной связи, введённой в каскад посредством включения Rб1 между базой и коллектором транзистора.
По большому счёту наличие ООС существенно влияет практически на все характеристики каскада, причём тем сильнее, чем выше глубина этой ОС. Глубина же этой ОС напрямую зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала.

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

R_вх ≈ [r_э x (1 + β)] ll (R_б1 + R_к) ;
I_б = (U_к — U_бэ)/R_б1 ;
I_к = I_б x β ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых ≈ R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / r_э .

Рис.2

В большинстве случаев наилучшими свойствами среди базовых схем ОЭ обладает эмиттерная схема термостабилизации, приведённая на Рис.3.
Эффект термостабилизации достигается фиксацией напряжения на базе посредством резистивного делителя (Rб1 и Rб2) и введением ООС по постоянному току посредством включения резистора Rэ1.
На переменном токе эта ООС нейтрализуется шунтированием резистора Rэ1 конденсатором Сэ.

R_вх = [r_э x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2 (по перем. току);
I_б = (U_б — U_бэ)/[(R_э1 + r_э) x (1 + β)] , где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1
и Rб2 , I_делит = (3. 10)I_б ;
I_к = I_б x β ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / r_э ;
Rэ1 следует выбрать такого номинала, чтобы получить —
U_э = (0,1. 0,2)E_к .

Рис.3

Если исключить из схемы блокировочный конденсатор Сэ (Рис.4), то помимо увеличения входного сопротивления, появляется дополнительная возможность регулировки усиления каскада.

Для наглядной иллюстрации данного утверждения приведём формулы:

R_вх = [(r_э + R_э1) x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2 ;
I_б = (U_б — U_бэ)/[(R_э1 + r_э) x (1 + β)] , где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1
и Rб2 , I_делит = (3. 10)I_б ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / (r_э + R_э1) .

Рис.4

Последним изобразим (Рис.5) наиболее универсальный вариант включения биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером.

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

R_вх = [(r_э + R_э2) x (1 + β)] ll R_б1 ll R_б2 ;
I_б = (U_б — U_бэ)/[(R_э1 + R_э2+ r_э) x (1 + β)] , где Uб
фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1
и Rб2 , I_делит = (3. 10)I_б ;
U_к = E_к — I_к x R_к ;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)] ;
K_u ≈ R_к / (r_э + R_э1) .

Рис.5

Ну и под занавес, уважаемые дамы и рыцари, приведу калькулятор, который позволит рассчитать резистивные элементы различных схемотехнических конфигураций транзисторных каскадов с ОЭ.
При расчётах принято допущение, что сопротивление нагрузки Rн >> Rвых каскада, а выходное сопротивление источника сигнала Rи X_Cp1 , где Rвх — входное сопротивление каскада, посчитанное в калькуляторе,
X_Cp2 , где Rвх посл — входное сопротивление последующего каскада,
X_Cэ (Рис.3), либо
X_Cэ (Рис.5).

Перенесу сюда калькулятор для расчёта характеристического сопротивления конденсатора.

Источник

Электроника

учебно-справочное пособие

Расчет усилительного каскада с ОЭ

Простая схема смещения транзистора (рис. 1) зависит от коэффициента бета, а он в свою очередь зависит от температуры. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Рис. 1 — Простая схема смещения транзистора

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку резисторов и в результате получается схема с 4-мя резисторами (рис. 2).

Рис. 2 — Усовершенствованная схема смещения транзистора

Резистор между базой и эмиттером назовем R_бэ, а резистор, соединенный с эмиттером, назовем R_э. Предположим, что по цепи +U_пит→ R_к→ коллектор→ эмиттер→R_э → земля проходит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать ток базы, так как I_э = I_к + I_б ) (рис. 3).

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Упростим схему, заменив транзитор эквивалентным резистором R_кэ (рис. 4) . R_кэ — это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Сопротивление R_кэ в основном зависит от базового тока.

Рис. 4 — Делитель напряжения

В результате, у нас получается простой делитель напряжения (рис. 4), где

Мы видим, что на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет равняться падению напряжения на резисторе R_э .

А чему равняется падение напряжения на R_э ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора R_э .

Какую же функцию выполняют резисторы R_б и R_бэ ?

Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения. Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +U_пит , что бывает крайне редко. В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Вернемся к R_э. Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме (рис. 3).

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе R_э .

б) падение напряжения на резисторе R_э — это и есть напряжение на эмиттере U_э. Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи U_э стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение U_б , образованное делителем из резисторов R_б и R_бэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле U_бэ = U_б — U_э . Следовательно, U_бэ станет меньше, так как U_э увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз U_бэ уменьшилось, значит и сила тока I_б , проходящая через базу-эмиттер тоже уменьшилась.

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток. Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R_{э .} Забегая вперед, скажу, что Отрицательная Обратная Связь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Пример:

Рассчитать каскад на биполярном транзисторе КТ315Б с коэффициентом усиления равным K_U = 10, U_пит = 12 В.

1) Находим из справочника максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 мВт. Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

2) Определим напряжение на U_кэ . Оно должно равняться половине напряжения U_пит.

3) Определяем ток коллектора:

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере U_кэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 В падают на резисторах R_к и R_э . То есть получаем:

R_к + R_э = (Uпит / 2) / I_к = 6 / 20х10 -3 = 300 Ом.

то составляем небольшое уравнение:

5) Определим ток базы I_базы по формуле:

Коэффициент β мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.

Рис. 7 — Измерение коэффициента β

6) Ток делителя напряжения I_дел , образованный резисторами R_б и R_бэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток I_б :

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

8) Определяем напряжение на базе:

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер U_бэ = 0,66 В. Как вы помните — это падение напряжения на P-N переходе.

Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 В), мы можем рассчитать номинал самих резисторов (рис. 8).

Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на R_б называется U₁ , а падение напряжения на R_бэ будет U₂ .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

Берем из ближайшего ряда 8,2 кОм

Номиналы резисторов указываем на схеме (рис. 9).

Рис. 9 — Схема с номиналами резисторов

Собираем схему на макетной плате и проверяем ее (рис. 10).

Рис. 10 — Схема собранная на макетной плате

Цепляем щупы осциллографа на вход и выход схемы. Подаём синусоидальный сигнал с помощью генератора частоты (рис. 11).

Рис. 11 — Осциллограммы синусоидальных сигналов на входе и выходе усилительного каскада
Красная осциллограмма — входной сигнал, желтая осциллограмма — выходной сигнал.

Сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10. Усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Подадим еще треугольный сигнал (рис. 12).

Рис. 12 — Осциллограммы треугольных сигналов на входе и выходе усилительного каскада с четыремя резисторами

Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами, то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала (рис. 13).

Рис. 13 — Осциллограммы треугольных сигналов на входе и выходе усилительного каскада с двумя резисторами

Выходное сопротивление схеме усилителя с ОЭ и с 4-мя резисторами в основном определяется номиналом резистора R_к . В данном случае это 270 Ом. Входное сопротивление R_вх примерно равняется:

В данном случае R_вх = 27·140=3780 Ом.

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых, эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI.

Во-вторых, ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет большой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе мощный и простой усилок.

Источники

Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2019

Источник