Схема с общим эмиттером (1085133)

Расчет по постоянному току.

Режим работы усилителя по постоянному току определяется элементами EК, RК, RБ и параметрами транзистора VT.
Критерии выбора транзистора следующие:
— по значению граничной частоты усилителя;
— по предельно-допустимым параметрам UКЭдоп, PРас.доп, IКmax.
При проектировании усилителя задаются UВыхmax, RН. Исходя из этого: EК>2UВыхmax;

с учетом того, что RН=(3÷5)RК тогда, IRkm=(3÷5)Ikm, Ikmax=5·IHmaxотсюда следует, что IКmax=5·IНmax. Граничная частота усиления транзистора должна быть в 3÷5 раз выше верхней граничной частоты усиливаемого сигнала fВ. Режим работы усилителя по постоянному току, описывается системами уравнений.

По выходным характеристикам транзистора, с учетом ограничений (см. Рис. 3.7), выбирают положение нагрузочной линии по постоянному току. ЕК рекомендуют брать порядка (0.8 – 0.9)UКэmax. Нагрузочную линию строят по двум точкам (Х.Х. и К.З.) Из уравнения (1): Х.Х. IК=0; UКЭ=ЕК, (точка 1);

Рис. 3.7 Выходные ВАХ транзистора с ОЭ и предельно-допустимые параметры.

При работе усилителя в режиме малых сигналов, рабочую точку целесообразно располагать в середине рабочей области характеристик (точка "О"). Она определяется тремя координатами IКп, UКЭп, IБп. Этой точке соответствует точка "О" на входных характеристиках транзистора (см. Рис. 3.8), определяемая координатами IБп, UКЭп.

Рис. 3.8 Входные ВАХ транзистора с ОЭ.

Для расчета величены резистора RБ (по уравнениям (1') и (2') ) установим величину напряжения UБЭп по Рис. 3.8. Поскольку величина этого напряжения порядка (0.4÷0.7) В, то проводить нагрузочную линию по уравнению (1') неудобно, т.к. напряжение ЕК порядка (10÷20) В. записав уравнения (1') для точки "О" рассчитаем требуемое значение резистора RБ:

Для маломощных транзисторов значения сопротивлений RК и RБ составляют ориентировочно единицы и десятки кОм соответственно.

Расчет по переменному току.

Для расчета по переменному току необходимо:
1) начало координат на характеристиках транзистора перенести в рабочую точку "О" по постоянному току. В рабочей точке определить, для бесконечно малых приращений, параметры транзистора. Наиболее используемые h – параметры. Принять во внимание, что в окрестности рабочей точки транзистор работает в режиме малых сигналов, и в этом случае к расчету усилителя применим принцип наложения.
2) для переменных составляющих напряжений и токов составить линейную модель усилителя с учетом линейной модели транзистора.
С учетом того, что для переменных составляющих напряжений и токов внутреннее сопротивление источника мало (точки ЕК и -ЕК считают однопотенциальными) и транзистор работает в активной области в режиме малого сигнала, получим следующую линейную электрическую модель усилителя (Рис. 3.9)

Рис. 3.9 Схема замещения усилителя с ОЭ.

Описав эту модель уравнениями в соответствии с законами электротехники определяют:
1) Входное сопротивление усилителя, что необходимо для учета согласования усилителя с источником входного сигнала.
2) По выходной цепи усилитель представляют эквивалентным генератором по отношению к сопротивлению нагрузки RН. Для этого определяют коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода - KХХ и выходное сопротивление усилителя RВых.
3) Определяют коэффициенты усиления усилителя по напряжению и току kU и kI и их зависимость от частоты, для построения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), фазочастотной характеристики (ФЧХ) и амплитудно-фазочастотной характеристики (АФЧХ).
4) определяют коэффициент нелинейных искажений при заданном значении входного сигнала и коэффициентов частотных искажений МН и МВ на граничных частотах fН и fВ.
При расчете усилителей звуковых частот этот диапазон частот условно разделяют на 3 поддиапазона:
— низкие частоты (30÷350 Гц)
— средние частоты (350÷3500 Гц)
— верхние частоты (3500÷20000 Гц)
основные параметры усилителя определяют в диапазоне средних частот. При этом справедливы допущения, что сопротивление разделительных конденсаторов, в данной области малы по сравнению с RВх и RН, и ими можно пренебречь, а значение конденсатора СНΣ много больше RН, и им тоже можно пренебречь. Здесь СНΣ определяется как:
CHΣ=CKЭ+CH+CM,
где СКЭ – выходная емкость транзистора,
СН – емкость нагрузки,
СМ – емкость монтажа.
Как правили, СНΣ порядка десятков – сотен пФ.

Определение коэффициента усиления по напряжению

Для этого воспользуемся следующей методикой:

Рис. 3.10 упрощенная схема замещения усилителя с ОЭ.

Предположим, что входное и выходное напряжения синфазны (пусть (+) по отношению к общей шине распложен как показано на Рис. 3.10). источник тока или ЭДС выходной цепи направлен так, чтобы обеспечить на выходе (+), в данном случае вверх. Теперь уточним направление источника тока (Iб·h21Э). В соответствии с физическими принципами работы транзистора. Входное напряжение получило (+) приращение на базу относительно эмиттера. Следовательно транзистор закрывается и ток коллектора будет уменьшатся, т.е. приращение тока коллектора будет отрицательным, и направленным от коллектора к эмиттеру. Поскольку это противоречит формально проставленному направлению источника тока, то для соответствия необходимо изменить знак перед током (-Iб·h21Э). Если противоречия нет – знак перед значением источника тока остается положительным. Формула для коэффициента усиления усилителя, в соответствии с этой методикой, дает знак "+" или "-", что указывает на фазовые соотношения усилителя.
Из приведенной выше системы уравнений:

Выразим ток базы (IБ) из (2):

и подставив полученное выражение в уравнение (1), получим:

определим коэффициент усиления по напряжению (UКЭ=UВых):

при h 12Э→0 получим:

Анализ последнего выражения показывает, что |KU|>>1, а знак "-" указывает на то, что UВых и UВх противофазны. Выражение, стоящее в скобках, порядка

и выражение для определения коэффициента усиления усилителя можно упростить:

Определение коэффициента усиления по току.

Коэффициент усиления по току определяется как:

Из выражения следует, что коэффициент усиления по току Ki>>1. Для увеличения Ki следует уменьшать RН, однако начиная с определенного значения RН начинает снижаться KU, что может привести к противоположному эффекту.

Определение выходного сопротивления.

1) Отключить сопротивление нагрузки. Замкнуть активный источник входного сигнала. Подвести к выходным зажимам усилителя переменное напряжение U. Рассчитать переменный ток I, потребляемый от источника U. Определит выходное сопротивление усилителя

Схема замещения усилителя, реализующая этот способ, приведена на Рис.3.11.

Рис. 3.11 Схема замещения усилителя, для расчета RВых.
Данную схему можно описать следующей системой уравнений:

2) Определение выходного сопротивления по нагрузочной характеристике. Выходную цепь усилителя можно представить следующей моделью, в которой выходная цепь транзистора представлена источником ЭДС (Рис. 3.12).

Рис. 3.12 Схема замещения выходной цепи усилителя. Нагрузочная характеристика усилителя, определяется зависимостью напряжения на нагрузке от тока нагрузки, будет иметь вид приведенный на Рис.3.13.

Рис. 3.13 – нагрузочная характеристика усилителя. Для выходной цепи усилителя в режимах холостого хода (RН=бесконечности) и короткого замыкания (RН=0) определим значения UНхх и IКЗ:

Из нагрузочной характеристики следует, что выходное сопротивление усилителя:

Следовательно, результаты определения выходного сопротивления , полученные первым и вторым способами, одинаковы.
Поскольку входное и выходное сопротивления схемы с ОЭ соизмеримы, то возможно последовательное включение каскадов усилителей с ОЭ при их удовлетворительном согласовании. Так, например, для двухкаскадного усилителя с коэффициентами усиления К1 и К2 и равенстве RВых1=RВх2, получим общий коэффициент усиления усилителя