Транзисторный усилитель

Усилитель соберем на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

В эмиттерном повторителе нагрузка сосредоточена в цепи эмиттера (рис. 6.).

R5

Рис.6. Эмиттерный повторитель.

В каскаде действует 100%-ная отрицательная обратная связь. Разница между входным и выходным напряжениями равна напряжению на открытом эмиттерном переходе, т.е. весьма мала. Поэтому выходное напряжение по значению и фазе достаточно близко совпадает с входным напряжением, что и обусловило название каскада.

Рассчитаем начальный режим работы выходного транзисторного каскада. Каскад соберем на биполярном транзисторе n-p-n типа малой мощности КТ3130А имеющем следующие параметры (см. табл. 1.):

Таблица 1

Параметр	Обозначение	Значение
Максимально допустимый постоянный ток коллектора	Ik max, мА
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер	Uкэ, В
Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора	Рк max, мВт
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером	h21
Постоянный обратный ток коллектора	Iкбо, мкА	0.1
Граничащая частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	fгр, МГц

Для каскада усиления обычно выбирают исходный режим, рекомендуемый в справочнике.

Принимаем допустимое изменение коллекторного тока в исходной рабочей точке ΔI_к = 0,001I_к:

ΔI_к = 0,001∙200 = 0,2мА

Определяем изменение тока ΔI_ко при изменении температуры от 20 до 50 ºС:

Находим допустимый коэффициент нестабильности исходного режима:

S_н = ΔI_к /ΔI_ко = 0,2∙10^-3/(0,7∙10^-6) ≈ 285.

Находим сопротивление делителя R₅:

R₅ ≈ R_нS_н = 0,3∙10³∙285 = 85,5 кОм

Возьмем R₅ = 85,5 кОм

Рассчитаем рабочий (динамический) режим эмиттерного повторителя, используя для анализа упрощенную физическую схему замещения (рис.7.).

Рис. 7. Физическая схема замещения.

4.1. Напряжение источника питания определяем, пользуясь выражением

U_п ≥ (1,1 – 1,2)U_вых,

U_п = 1,2∙7 = 8.4 В

Возьмем напряжение источника питания равным U_п = 10 В

4.2. Входное сопротивление. Активную составляющую входного сопротивления каскада (без учета делителя R₅) можно определить из схемы рис.7. По закону Кирхгофа, напряжение U, приложенное к точкам 1 и 2,

U = I_бr_б + I_э(r_э + R_н)

I_э = I_б(β + 1) =>

U = I_бr_б + I_б(β + 1)(r_э + R_н) =>

R_вх = U/I_б = r_б + (β + 1)(r_э + R_н)

Пренебрегая r_б и r_э по сравнению с R_н (это обычно всегда можно сделать), получим

R_вх ≈ R_нβ.

β = h₂₁ = 200 =>

R_вх = 0,3∙200 = 60 кОм

Входное сопротивление каскада уменьшается за счет того, что со стороны входа параллельно транзистору включен резистор R₅, сопротивление которого для надлежащей стабилизации режима не должно быть большим. С учетом делителя входное сопротивление каскада

R'_вх = R_вх||R₅ = R_вхR₅ /(R_вх + R₅)

R'_вх = 60∙85,5/145,5 = 35 кОм

4.3. Коэффициент передачи по напряжению. Значение U_вых всегда меньше U_вх и не может быть даже равно ему, так как при этом напряжение

U_бэ = U_вх – U_вых обратилось бы в нуль и изменение коллекторного тока прекратилось.

Поэтому повторитель имеет смысл характеризовать не коэффициентом усиления, а коэффициентом передачи напряжения, понимая под этим

К = (U_вых/U_вх)<1, К = I_эR_н /(I_бR_вх).

Так как

I_э = I_б + I_к = I_б + βI_б = I_б(β + 1);

R_вх = r_б + (R_н + r_э)(β +1),

То

Так как β>>1, то К ≈ R_н / (r_э + R_н).

r_э ≈ 10 Ом

К ≈ 300/(300 + 10) = 0,97

U_вх = U_вых /К = 7/0,97 = 7.22В

4.4. Коэффициент усиления по току. Его значение много больше единицы: К_i = I_вых /I_вх = I_э /I_вх.

С учетом того, что сопротивление R₅ включено параллельно входному сопротивлению R_вх транзистора, ток базы

I_б = I_вх R₅ /(R₅ + R_вх),

Откуда

,

Поэтому

,

К_i = (200 + 1)∙85,5/145,5 = 118

I_б = I_э / (β + 1),

I_б = 20/200 = 0,4 мА

I_вх = 0,4∙(85,5 + 60)/85,5 = 0,680 мА

I_д = U_вх/R₅ = 7.22В/85,5кОм = 0,084мА

Если бы выполнялось неравенство R₅ >> R_вх (практически весь ток I_вх проходил бы в цепь базы), то коэффициент усиления по току достигал бы максимального значения К_i = β + 1.

4.5. Коэффициент усиления по мощности. Его значение много больше единицы:

К_р = 0,97∙118 = 114

Из приведенных выражений следует, что эмиттерный повторитель является усилителем тока и мощности. Последнее следует понимать в обычном смысле: мощность выходного сигнала превосходит мощность входного сигнала за счет энергии источника питания U_пит .

4.6. Выходное сопротивление. Выходное сопротивление R_вых дает представление о нагрузке, которую можно подключить к выходу каскада, не перегружая его. Выходное сопротивление – сопротивление со стороны выходных зажимов (3, 4 на рис. 2.) при отключенной нагрузке R_н и U_вх = 0

Из схемы следует, что R_вых составляется параллельно включенными R_н и частью схемы, содержащей r_э, r_б и R₄. Для определения влияния каждого из трех последних сопротивлений отключим резистор R_н и мысленно присоединим к зажимам 3, 4 генератор с напряжением U. Тогда, по закону Кирхгофа,

U = I_эr_э + I_б(r_б + R₅).

Имея в виду, что I_б = I_э /(β + 1), получаем

U = I_э [r_э + (r_б + R₅)/(β + 1)].

Отсюда значение второй составляющей R_вых

U/I_э = r_э + (r_б + R₅)/(β + 1).

Таким образом, выходное сопротивление эмиттерного повторителя

R_вых = R_н || [r_э + (r_б + R₄)/(β +1)].

Обычно вторая составляющая R_вых значительно меньше первой и R₅>>r_б, так что

R_вых ≈ h₁₁/(β +1).

R_вых = 0.5/201 = 2.4Ом

Обычно R_вых не превышает нескольких Ом. Малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя позволяет использовать его при работе на низкоомную нагрузку, а сочетание большого входного и малого выходного сопротивлений дает возможность применять повторитель как согласующий каскад.

Дата добавления: 2015-07-08