Побудова та принцип дії транзистора

Розрізняють стаціонарний коефіцієнт підсилення струму бази за схемою із спільним емітером і динамічний . Для більшості практичних цілей їх можна вважати рівними. При розрахунках не слід прив’язуватися до параметра тому, що для різних транзисторів одного і того ж типу його величина може змінюватися від 50 до 300. Він також залежить від струму колектора , напруги між колектором і емітером і температури. Схему можна вважати поганою, якщо на її характеристики впливає величина .

На основі моделі Еберса-Молла можна  отримати деякі залежності , які  зручно використовувати при аналізі  та розробці схем.

1. Визначимо динамічний опір емітерного переходу . Та як  , то для цього скористаємося формулою (1.4), звідки

.     (1.5)

Візьмемо тепер похідну 

.    (1.6)

Отже 

 

,     (1.7)

Це власний опір емітера, він  виступає у якості послідовного опору  в емітерній ланці (в усіх транзисторних  схемах).

2. Із рівняння Еберса-Молла випливає, що треба збільшити на 60 мВ при кімнатній температурі для того, щоб струм колектора збільшився в 10 раз.

3. Розглянемо температурну залежність. Відомо, що залежить від температури, напруга  зменшується на -2,1 мВ/°С. Це призводить до того, що колекторний струм при фіксованому потенціалі бази відносно емітера при підвищенні температури на кожні 30°С буде збільшуватися в 10 разів.

 

1.3 Підсилюючий каскад низької частоти за схемою із спільним

емітером

При побудові підсилювачів найбільше  поширення отримати каскади на біполярних транзисторах, які використовують схему  включення транзистора із спільним емітером. Рідко використовуються схеми  включення із спільним колектором. Схеми включення із спільною базою мають вузьке використання, переважно у високочастотних схемах.

Розглянемо класичну схему підсилюючого каскаду за схемою із спільним емітером, яка представлена на рис.1.3.

 

Рисунок 1.3 – Підсилюючий каскад за схемою із спільним емітером

1.4 Підсилюючий каскад за схемою із спільним колектором

Емітерним повторювачем називається каскад, охоплений 100% послідовним ВЗЗ. Призначення  емітерного повторювача полягає  в узгоджені імпедансів джерел сигналів і навантажень.

Наявність 100%  ВЗЗ зв’язку передбачає, що в емітерному повторювачі вихідний сигнал і сигнал зворотного зв’язку  рівні. Типова схема емітерного повторювача показана на рис.1.4. Видно, що в схемі відсутній резистор , а вихідний сигнал знімається безпосередньо з резистора зворотного зв’язку . Така трансформація змінює схему включення транзистора, перетворюючи її в схему із спільним колектором (вважається, що джерело живлення є ідеальним джерелом напруги із =0).

На відміну  від підсилювача за схемою із спільним емітером, схема із спільним колектором не інвертує вхідний сигнал. Дійсно, якщо до входу емітерного повторювача  прикласти напругу, рівень якої збільшується, то це призведе до збільшення емітерного струму і відповідного збільшення вихідної напруги.

Рисунок 1.4 – Емітерний повторювач

1.5. Призначення компонентів  схеми

Резистор  сумісно з джерелом живлення утворює основне коло підсилення.

Резистори і утворюють дільник напруги для подачі фіксованого зміщення на базу для того, щоб задати робочу точку і транзистор знаходився у активному режимі.

Резистор утворює напругу послідовного від’ємного зворотного зв’язку (ВЗЗ) за постійним струмом для стабілізації робочої точки транзистора (стабілізації відносно змінювання температури, змінювання напруги джерела живлення, заміни транзистора). Стабілізуючу дію можна пояснити наступним чином. Наприклад, із підвищенням температури збільшився струм спокою колектора , при цьому також відповідно збільшиться і струм емітера . Напруга на емітері зросте.  Так як , а напруга на базі фіксується дільником , , то це призводить до зменшення і відповідного зменшення струму колектора.

Конденсатор шунтує за змінним струмом на частотах сигналу для зменшення від’ємного зворотного зв’язку за змінним струмом.

Конденсатори  , з розділяючими (блокуючими):  розв’язує джерело сигналу і підсилювач за постійним струмом (щоб внутрішній опір джерела сигналу не шунтував );    розв’язує підсилювач і навантаження за постійним струмом.

 

2. Алгоритм розрахунку підсилювача із спільним емітером
1. Оцінка параметрів схеми

 

Оцінимо коефіцієнт підсилення спочатку за постійним струмом, для цього будемо вважати, що конденсатори і в схемі відсутні. Якщо , тоді

 

 

і практично не залежить від струму колектора.

Оскільки конденсатор  шунтує за змінним струмом, то коефіцієнт підсилення за змінним струмом можна оцінити за формулою

 

 

Знак «–» вказує на те, що вихідний сигнал є протифазним вхідному.

 

 

Тут паралельність  і витікає з того, що опір транзистора становить порядку 1 МОм (перехід база-колектор зсунуто у зворотному напрямку), а джерело живлення є ідеальним джерелом напруги .

Конденсатор обирають таким чином, щоб у робочій смузі частот ним можна було знехтувати. Вхідний опір схеми являє собою паралельне з’єднання ( і вхідного опору транзистора з боку бази

 

 

А вхідний  опір транзистора з боку бази за постійним струмом з урахуванням  буде дорівнювати

 

 

Таким чином, вхідний опір схеми  підсилювача можна оцінити за виразом

 

 

Так як шунтує конденсатором за змінним струмом на частотах сигналу.

Вихідний опір схеми визначається як паралельне з’єднання  і вихідного опору транзистора з боку колектора. Останній порівняно великий (порядку 1 МОм), тому

 

 

 

2.2 Методика попереднього розрахунку

• – опір навантаження;
• – амплітуда вихідного сигналу;
• – нижня частота робочого діапазону;
• – верхня частота робочого діапазону.

При розрахунках  зручно вважати: =0,6 В (для кремнієвих транзисторів), =100 (для малопотужних транзисторів).

1. Напруга живлення , обирається із ряду номінальних значень 1,2; 1,5; 2,4; 3,0; 4,0; 4,5; 5,0; 5,2; 6,0; (6,3); 9,0; (10,0); 12,0; 12,6; 15,0; 20,0; 24,0; 27,0; 30,0; 36,0; 48,0; 60,0; 80,0 В. (Номінальні значення, указані в дужках використовуються після погодження із замовником). Напруга живлення повинна перевищувати розмах вихідної напруги . Нелінійні викривлення зменшуються при посилені цієї нерівності. Зазвичай обирають

.    (2.8)

З заданих даних напруга живлення (E) дорівнює 6,3 В.

;

 

2. Для погодження опорів в НЧ схемах вихідний опір підсилювача повинен перевищувати опір навантаження, достатньо щоб

;     (2.9)

R_k = 5/4 = 1,25 кОм.

3. Добрі результати по стабілізації дає вибір опору емітерного резистора

=0,1 ;     (2.10)

R_E = 0,1∙1,25 = 0,125 кОм.

4. Так як повинен шунтувати на частотах сигналу для зменшення ВЗЗ за змінним струмом, то його ємність вибирається із нерівності

     (2.11)

(« » – на порядок менше, за звичай =6-10 мкФ).10^-6

 

5. З вхідним опором підсилювача утворює ФВЧ (диференцююче RC-коло), тому його ємність вибирається із нерівності

;     (2.12)

 

 

 

 

Отже, знайдемо :

 

 

6. Конденсатор утворює із навантаженням ФВЧ, тому його ємність вибирається із нерівності

  .     (2.16)

 

 

7. Струм дільника і повинен набагато перевищувати струм бази, щоб змінювання струму бази в процесі роботи не впливало на напругу зміщення. Для чого || . Тому опори резисторів і знаходять, вирішуючи систему рівнянь:

,     (2.18) 

де  ;

|| ,    (2.19)

де  . Приймаємо I_ko = 5мА

 

 

 

 

 

 

8. Тип транзистора для цієї схеми обирають насамперед за призначенням та за значеннями гранично допустимих параметрів. Це гранична частота ( частота, на якій модуль коефіцієнта передачі у схемі із спільним емітером екстраполюється до 1), максимально допустима напруга колектор-емітер , максимально допустимий струм колектора .

• Гранична частота  підсилення транзистора має бути в 3…5 раз вище верхньої частоти спектра сигналу.
• Рекомендують обирати транзистор з =(1,1…1,25) .
• Повинна задовольнятися умова ≥ , де – амплітудне значення струму через навантаження.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Підсилюючий каскад за схемою із спільним колектором:
1. Оцінка параметрів схеми

 

Так як ; , то вихідний сигнал, який знімається з емітера, менше вхідного на величину . Таким чином, коефіцієнт підсилення за напругою дещо менше одиниці .

Вхідний опір, як і в попередній схемі, являє собою паралельне з’єднання () і вхідного опору транзистора з боку бази . Тоді

 

 

 

 

Цей вираз говорить про те, що в  емітерному повторювачі можна отримати дуже велике значення вхідного опору. Це є одним із основних достоїнств цього каскаду.

Для визначення вихідного опору схеми спочатку оцінимо опір з боку емітера без  врахування , і (рис.3.1).

 

Рисунок 3.1 – Схема для оцінки вихідного опору емітерного повторювача

 

 

 

Оскільки , то значення можна не враховувати при паралельному з’єднанні. З урахуванням дільника , вихідний опір емітерного повторювача дорівнює

 

 

 

Залежність  вихідного емітерного повторювача  від внутрішнього опору джерела  сигналу є певним недоліком даної  схеми.

2. Методика попереднього розрахунку

 

Вихідними даними розрахунку емітерного повторювача  є

• – опір навантаження;
• – амплітуда вихідного сигналу;
• – нижня частота робочого діапазону;
• – верхня частота робочого діапазону.

 

1. Напруга живлення повинна перевищувати розмах вихідної напруги 
. Нелінійні викривлення зменшується при посиленні цієї нерівності. Зазвичай обирають

 

 

2. Значення  обирають виходячи із того, щоб у стані спокою падіння напруги на ньому дорівнювало . Чим менше , тим очікується менший вихідний опір схеми . Зазвичай обирають колекторний струм спокою 1 мА, чи кілька мА. Враховуючи, що , тоді

 

 

3. – мають таке ж саме призначення, що і в схемі підсилювача за схемою із спільним емітером, і розраховуються за формулами

 

 

 

 

 

 

 

Висновок

 

 

Виконавши попередній розрахунок транзисторного підсилювача, та насамперед, визначивши значення гранично допустимих параметрів, я обрав n-p-n транзистор загального призначення КТ 315 Г, який є аналогом зарубіжного транзистора BC108. В даній роботі розраховано транзисторний підсилювач низької частоти за схемою із спільним емітером та за схемою із спільним колектором. А саме визначено вихідний опір сигналу , вхідний та вихідний опори, коефіцієнт підсилення , відповідно на обох схемах.

 

 

 

 

 

 

 

 

Література

 

 

1. Дмитрів, Електроніка і мікросхемотехніка [Текст]: лабораторний практикум / В. Т. Дмитрів, В. М. Шиманський. – Л.: Афіша, 2008. – 104 с.

2. Колонтаєвський, Промислова електроніка  та мікросхемотехніка: теорія  
і практикум [Текст]: навчальний посібник / Ю. П. Колонтаєвський,  
А. Г. Сосков, за ред.. А. Г. Соскова. – К.: Каравела, 2003. – 368 с.

3. Оксанич,  Комп’ютерна електроніка [Текст]: навчальний посібник / А. П. Оксанич, С. Е. Притчин, О. В. Вашерук. – Х.: Компанія СМІТ, 2006. – 200 с.