Усилительные каскады

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«Электротехника, электроника и схемотехника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 4

I УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 5

1.1 Типы  усилителей 6

     1.2 Основные характеристики и  параметры 8

II ТРАНЗИСТОРЫ 10

2.1 Классификация 10

    2.2 Схемы включения транзисторов 12

    2.3 Статистические характеристики биполярных транзисторов 13

III УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 17

3.1 Режимы  работы 17

3.2 Каскад  с общим эмиттером 20

    3.3 Основные расчетные формулы 22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26

ПРИЛОЖЕНИЕ 27

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Данная курсовая работа подводит итог в изучении дисциплины «Электротехника, электроника и схемотехника». Целью работы является получение опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, в развитии навыков информационного поиска, пользования справочной литературой.

 
В современной электронике все большая роль отводится использованию достижений цифровой и аналоговой микросхемотехники. Устройства на микросхемах стали проникать даже в те области, где ранее никому не приходило в голову их использовать из-за явно большей себестоимости по сравнению с простейшими транзисторными цепочками. Несмотря на это все еще остаются сферы, где применение дискретных элементов по-прежнему популярно, а иногда и неизбежно. Кроме того, знание способов включения и режимов работы транзисторов, а также методик построения и анализа транзисторных схем является обязательным для любого инженера, даже если ему и не приходится в реальной жизни проектировать схемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

 

В ходе выполнения данной курсовой работы необходимо изучить усилители и транзисторы. Затем необходимо разработать схему каскадного усилителя с общим эмиттером. Произвести расчеты по данным формулам и построить АЧХ характеристику для данного каскада.

Исходные данные:

Eк

EМвх

Rк

Rн

Rэ1

rб

Rг

Rэ2

Ru

Rб1

Rб2

Сp1

Сp2

Сэ

Imax

β

В

МВ

кОм

кОм

Ом

Ом

Ом

Ом

кОм

кОм

кОм

мкФ

мкФ

мкФ

мкА

-

15

20

6

10

400

300

150

600

10

100

12

15

20

100

10

80


 

 

 

   
   

25

0,5


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

 

Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала.

Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

Управляющий источник электрической энергии, от которого усиливаемые электрические колебания поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания вводятся - входной цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, называется основным источником питания. Устройство, являющееся потребителем усиленных электрических колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой подключается нагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.

Усилители электрических сигналов, применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.

 

 

1.1 Типы усилителей

 

Усилители делятся на ряд типов по различным признакам.

По роду усиливаемых электрических сигналов усилители можно разделить на две группы:

  • усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя.
  • усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной величины и формы.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:

  • усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.
  • усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.
  • усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.
  • усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих непреобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

По характеру зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты различают:

  • Резонансные усилители, у которых усиление изменяется с частотой сигнала по кривой, связанной с законом изменения сопротивления параллельного резонансного контура.
  • Полосовые усилители, у которых усиление почти постоянно в определенной узкой полосе частот и резко падает за ее пределами; резонансные усилители и полосовые усилители с узкой полосой рабочих частот также называют избирательными или селективными усилителями.
  • Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот, порядка нескольких мегагерц и больше.

Из трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет вспомогательную роль.

 

 

 

 

 

1.2 Основные характеристики  и параметры

 

  1. Основной параметр – коэффициент усиления:
    • по напряжению

 

          (1)

 

    • по току

 

        (2)

 

    • по мощности

 

           (3)

  

  1. Входное сопротивление по переменному току:

 

        (4)

 

  1. Эквивалентное выходное сопротивление:

 

                (5)

      

 

Амплитудная характеристика

 

Uвых = f(Uвх)w=const

 

Рисунок 1. Амплитудная характеристика усилителя

1 – область внутренних  шумов усилителя. Даже при отсутствии  входного сигнала на выходе  присутствует хаотический шумовой  сигнал. Шумы обусловлены температурными  шумами элементов (тепловой шум), дискретной природой электричества (квантовый), избыточными шумами  АЭ. Внутренние шумы ограничивают  возможность усиления слабых  сигналов снизу. Для уменьшения  тепловых шумов активные элементы  охлаждают (жидким гелием, азотом).

2 – область линейного  усиления. Uвх = kuUвх, tga Þ ku

3 – область ограничения  выходного сигнала (нелинейных искажений  выходного сигнала). Ограничение  обусловлено либо мощностью источника  питания, либо нелинейностью ВАХ  активного элемента.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II ТРАНЗИСТОРЫ

 

 

Транзистор – радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

В полевых и биполярных транзисторах 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. В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ).

 

 

2.1 Классификация транзисторов

По основному полупроводниковому материалу:

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого    обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металлические выводы, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы на основе кремния, германия, арсенида галлия.  Другие материалы для транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок, о графеновых полевых транзисторах.

  1. По структуре:

    • Биполярные

- n-p-n структуры, «обратной проводимости».

- p-n-p структуры, «прямой проводимости».

В биполярном транзисторе носители заряда движутся от эмиттера через тонкую базу к коллектору. База отделена от эмиттера и коллектора p–n переходами. Ток протекает через транзистор лишь тогда, когда носители заряда инжектируются из эмиттера в базу через p–n переход. В базе они являются неосновными носителями заряда и легко проникают через другой pn переход между базой и коллектором, ускоряясь при этом. В самой базе носители заряда движутся за счет диффузионного механизма, поэтому база должна быть достаточно тонкой. Управления током между эмиттером и коллектором осуществляется изменением напряжения между базой и эмиттером, от которой зависят условия инжекции носителей заряда в базу.

    • Полевые

- с p-n переходом.

- с изолированным затвором — МДП-транзистор.

В полевом транзисторе ток протекает от истока до стока через канал под затвором. Канал существует в легированном полупроводнике в промежутке между затвором и нелегированной подложкой, в которой нет носителей заряда, и она не может проводить ток. Преимущественно под затвором существует область обеднения, в которой тоже нет носителей заряда благодаря образованию между легированным полупроводником и металлическим затвором контакта Шоттки. Таким образом, ширина канала ограничена пространством между подложкой и областью обеднения. Приложенное к затвору напряжение увеличивает или уменьшает ширину области обеднения и, тем самым, ширину канала, контролируя ток.

  1. Разновидности транзисторов:
    • Однопереходные (Двухбазовый диод)
    • Криогенные транзисторы (на эффекте Джозефсона)
    • Многоэмиттерные транзисторы
    • Баллистические транзисторы
    • Одномолекулярный транзистор
  1. По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
  • Маломощные транзисторы до 100 мВт
  • Транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт
  • Мощные транзисторы (больше 1 Вт).

 

  1. По материалу и конструкции корпуса:

  • металлостеклянный
  • металлокерамический
  • пластмассовый

 

 

2.2 Схемы включения биполярных  транзисторов

 

Для включения в схему транзистор должен иметь четыре вывода - два входных и два выходных. Но транзисторы всех разновидностей имеют только три вывода. Для включения трёхвыводного прибора необходимо один из выводов объединить и поскольку таких комбинаций может только три, то существуют три базовых схем включения транзистора:

  • с общим эмиттером (ОЭ) — осуществляет усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема;
  • с общим коллектором (ОК) — осуществляет усиление только по току — применяется для согласования высокоимпедансных источников сигнала с низкоомными сопротивлениями нагрузок;

  • с общей базой (ОБ) — усиление только по напряжению, в силу своих недостатков в однотранзисторных каскадах усиления применяется редко (в основном в усилителях СВЧ), обычно в составных схемах.

 

 

2.3 Статистические  характеристики биполярного транзистора

Эти характеристики показывают графическую зависимость между токами и напряжениями транзистора и могут применяться для определения некоторых его параметров, необходимых для расчета транзисторных схем. Наибольшее применение получили статические входные и выходные характеристики.

 

   

Рисунок 2. Входные характеристики германиевого транзистора типа p-n-p в схемах с ОБ (а) и ОЭ (б).

 
    
   Входные статические характеристики представляют собой вольт-амперные характеристики эмиттерного электронно-дырочного перехода. Если транзистор включен по схеме с общей базой, то это будет зависимость тока эмиттера Iэ от напряжения на эмиттерном переходе UэБ . При отсутствии коллекторного напряжения (UКБ = 0) входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольт-амперной характеристики эмиттерного ЭДП, такой же, как ВАХ диода. Если на коллектор подать некоторое напряжение, смещающее его в обратном направлении, то коллекторный ЭДП расширится и толщина базы вследствие этого уменьшится. В результате уменьшится и сопротивление базы эмиттерному току, что приведет к увеличению эмиттерного тока, то есть характеристика пройдет выше. 
   При включении транзистора по схеме с общим эмиттером  входной характеристикой будет графическая зависимость тока базы IБ ОТ напряжения на эмиттерном переходе UБЭ.Так как эмиттерный переход и при таком включении остается смещенным в прямом направлении, то входная характеристика будет также подобна прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного ЭДП . 
   Выходные статические характеристики биполярного транзистора — это вольт-амперные характеристики коллекторного электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении. Их вид также зависит от способа включения транзистора и очень сильно 
от состояния, а точнее — режима работы, в котором находится эмиттерный ЭДП.

Рисунок 3. Выходные характеристики германиевого транзистора типа p-n-p в схемах с ОБ (а) и ОЭ (б). 

 

 
    Если транзистор включен  по схеме с общей базой (ОБ) и Iэ = 0, то есть цепь эмиттера оборвана, то эмиттерный ЭДП не оказывает влияния на коллекторный переход. Так как на коллекторный ЭДП подано обратное напряжение, то выходная характеристика, представляющая собой зависимость тока коллектора Iк от напряжения между коллектором и базойUКБ, будет подобна обратной ветви ВАХ диода (нижняя кривая ). Если же на эмиттерный ЭДП подать прямое напряжение 
, то появится ток эмиттера  Iэ, который создаст почти такой же коллекторный ток Iк. Чем больше прямое напряжение на эмиттерном ЭДП, тем больше значения эмиттерного и коллекторного токов и тем выше располагается выходная характеристика. 
    Сказанное справедливо и при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Разница состоит лишь в том, что в этом случае выходные характеристики снимают не при постоянных значениях тока эмиттера, а при постоянных значениях тока базы IБ , и идут они более круто, чем выходные характеристики в схеме с ОБ. 
    При чрезмерном увеличении коллекторного напряжения происходит пробой коллекторного ЭДП, сопровождающийся резким увеличением коллекторного тока, разогревом транзистора и выходом его из строя. Для большинства транзисторов напряжение пробоя коллекторного перехода лежит в пределах от 20 до 30 В. Это важно знать при выборе транзистора для заданного напряжения источника питания или при определении необходимого напряжения источника питания для имеющихся транзисторов. 
    Увеличение температуры вызывает возрастание токов транзистора и смещение его характеристик. Особенно сильно влияет температура на выходные характеристики в схеме ОЭ . 

 

Рисунок 4. Зависимость выходных статистических характеристик транзистора от температуры в схеме с ОБ (а) и ОЭ (б). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

 

3.1 Режимы работы

 

Поскольку характеристики транзистора существенно нелинейны, то в процессе усиления входного сигнала имеют место искажения, которые называют нелинейными. Величина искажений в большой степени зависит от выбора начальной рабочей точки на линии нагрузки и от амплитуды входного сигнала. В зависимости от этого различают следующие основные режимы работы усилителя:

  • режим класса A;
  • режим класса B;
  • режим класса AB;
  • режим класса C;
  • режим класса D.

Рассмотри подробнее некоторые из них.

Режим А:

Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и переходной . Амплитуда входного сигнала здесь такова, что суммарное значение не имеет отрицательных значений, а поэтому базовый ток , а следовательно и коллекторный ток  нигде не снижаются до нуля (рис. 5). Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол отсечки  равен . Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока  КПД такого усилителя низкий (теоретически не более 25 %, а реальные значения и того ниже), поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления.

Рисунок 5. Усиление в режиме класса А.

 

Режим В:

Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале переходной характеристики (рис. 6). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше (до 70 %), чем режиме класса А, так как начальный коллекторный ток здесь значительно меньше. Угол отсечки   равен . Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Однако у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки.

Рисунок 6. Усиление в режиме класса В.

 

Для того чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода - второй транзистор в этом же режиме. На рис. 7. представлена схема двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах противоположного типа, но с идентичными параметрами, образующих так называемую комплементарную пару. Для питания коллекторной цепи используется два одинаковых источника питания и , которые создают обратное включение коллекторных переходов. Резисторы и одинаковы, при они фиксируют потенциал баз транзисторов, равный потенциалу корпуса.

Рисунок 7. Двухтактная схема класса В с симметричным источником питания.

Режим класса В обычно используют преимущественно в мощных двухтактных усилителях, однако в чистом виде его применяют редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим класса AB.

 

 

3.2 Каскад с  общим эммитером

 

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Достоинства:

  • Большой коэффициент усиления по току
  • Большой коэффициент усиления по напряжению
  • Наибольшее усиление мощности
  • Можно обойтись одним источником питания
  • Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

 

          Недостатки:

  • Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Основные расчетные формулы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если , то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе данной курсовой работы были подробно изучены усилители и транзисторы, их классификация и характеристики. С помощью полученных знаний была собрана схема каскадного усилителя с общим эмиттером и построена ее АЧХ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Листинг программы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Результаты работы программы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. Учеб. для вузов.- 4-е издание. - М.: Высшая школа, 2006 г 
  2. Прянишников В.А. Электроника. Полный курс лекций/ -4-е изд. -СПб: "КОРОНА- Принт", 2004 г.
  3. Полещук В.И. Задачник по электротехнике и электронике: учебное пособие для студентов – М.: Академия, 2006 г.
  4. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник/ Под ред. А.В. Голомедова. 2-е изд., стереотип. М.: Радио и связь, изд. фирма "Куб-ка", 1994. 384 с.