Расчет усилителей на транзисторах и ОУ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  НЕФТИ И ГАЗА

имени И. М. Губкина

 

Факультет автоматики и вычислительной техники

Кафедра информационно-измерительных  систем

Группа АИ-10-7

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет усилителей на транзисторах и ОУ

По дисциплине

«Микроэлектронные устройства»

 

 

 

 

Руководитель проекта      Студент

Доцент Горохов А. В.      Балахонова Е. В.

 

 

Оценка

 

Подпись руководителя

Оглавление

1. Теоретическая часть 3

1.1. Транзисторы 3

1.2. Усилители на биполярных транзисторах 5

1.3. Операционные усилители 14

2. Практическая часть 14

2.1. Выбор транзистора 14

2.2. Расчет h-параметров транзистора 14

2.3. Выбор рабочей точки 16

2.4. Расчет элементов каскада 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Теоретическая часть
1. Транзисторы

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя  взаимодействующими р-n переходами и  тремя или более выводами. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной – сплавление, диффузия, эпитаксия.

Структурная схема плоскостного биполярного  транзистора 

Как видно из рисунка, транзистор имеет  три области полупроводника,  причем две крайние области имеют  одинаковый тип проводимости, а средняя  область - противоположный. Одна из крайних  областей транзистора называется эмиттером (Э), другая крайняя область транзистора  называется коллектором (К). Коллектор  имеет наибольшие размеры среди  областей транзистора. Средняя область  транзистора называется базой (Б). Внешние  выводы, с помощью которых транзистор включается в электрическую схему, называются электродами.

Между p- и n-областями транзистора образуются p-n-переходы. Переход, разделяющий эмиттер и базу, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, разделяющий базу и коллектор, - коллекторным переходом (КП).

В зависимости от порядка расположения областей с различным типом проводимости различают транзисторы n-р-n и р-n-р типов.

Рисунок 2 – Условные  обозначения транзисторов:

а - транзистор р-n-р; б - транзистор n-р-n.

В зависимости от того, в каких  состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку  в транзисторе имеется два  перехода, и каждый из них может  находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора:

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение, именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этомом случае выходной ток транзистора не может управлять его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа.

Кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

1.2. Усилители на биполярных транзисторах

Усилитель – устройство, при помощи которого путем затраты небольшого количества энергии можно управлять энергией, во много раз большей.

Превышение  мощности, выделяемой в нагрузке усилителя, над мощностью источника входного сигнала достигается за счет энергии  источника питания. Если управляющая  и управляемая энергии являются электрическими, усилитель называют усилителем электрических сигналов.

Классификация усилителей:

По  характеру усиливаемых сигналов: а) усилители гармонических сигналов, б) усилители импульсных сигналов

По  ширине полосы усиливаемых частот: а) усилители постоянного тока, б) усилители переменного тока

По  характеру потребления электроэнергии в нагрузке: а) усилители напряжения, б) усилители тока, в) усилители мощности

По  структуре: а) однокаскадные, б) многокаскадные

В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения  транзистора:  с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

Любая схема включения  транзистора характеризуется следующими основными показателями:

• Коэффициент усиления по току:
• Коэффициент усиления по напряжению:
• Входное сопротивление:
• Выходное сопротивление:
• Динамический диапазон:
• Выходная номинальная мощность
• КПД:
• Коэффициент нелинейных искажений:
• Коэффициент частотных искажений:
• Полоса пропускания

 

 

1. Каскад с общей базой

 

В этой схеме входной сигнал по переменному току подается на эмиттер, а выходной снимается с коллектора, база в данной схеме заземлена. Сопротивление  R_э и R_к задают режим покоя. Емкости C₁ и C₂ являются разделительными емкостями. При подаче на вход напряжения отрицательной полярности коллекторный ток увеличивается, увеличивая падение напряжения на сопротивление R_к, а потенциал коллектора относительно земли уменьшается. Полярности входного и выходного напряжения совпадают.

Особенности такого включения:

• низкое Rвх (десятки Ом) и высокое Rвых (единицы, десятки МОм) сопротивление;
• K_I меньше единицы, а K_U зависит от сопротивления нагрузки;
• каскад характеризуется хорошими частотными и переходными свойствами и малыми нелинейными искажениями.

 

 

 

2. Каскад с общим эмиттером

 

Входной сигнал по переменному току подается на базу, а выходной снимается с коллектора. При подаче входного напряжения на базу транзистора, например, положительной полярности, ток базы растёт, вследствие этого увеличивается ток коллектора и падение напряжения на сопротивлении R_к, а потенциал коллектора относительно земли становится менее положительным. Изменение напряжения на коллекторе относительно земли является выходным напряжением для этой схемы. R1, R2 и Rк задают режим покоя транзистора, Rэ - для термостабилизации рабочей точки. Сэ  служит для повышения коэффициента усиления каскада по переменному току, он устраняет отрицательную обратную связь каскада, полученную с помощью Rэ на рабочих частотах. Ёмкости С1 и С2 – разделительные.

Особенности такого включения:

• низкое Rвх (от нескольких сотен Ом до десятков кОм) и  относительно большое Rвых (от нескольких кОм до сотен кОм);
• позволяет получить наиболее высокий коэффициент усиления по напряжению K_U (десятки единиц) и большой коэффициент усиления по току K_I (десятки единиц);
• выходной сигнал сдвинут по фазе относительно входного на 180°;
• узкий диапазон частот.

3. Каскад с общим коллектором

Резисторы R₁, R₂ и R_э задают режим покоя. C₁, C₂ являются разделительными емкостями. Входной сигнал по  переменному току подается на базу, а выходной снимается с эмиттера. Коллектор по переменному току заземлен через малое для переменного тока внутреннее сопротивление источника питания. В схеме вследствие такой подачи сигнала существует 100% ООС по напряжению. При подаче положительного входного сигнала на базу транзистора, ток, протекающий через транзистор увеличивается,  следовательно, увеличивается ток, протекающий через сопротивление Rэ, и падение напряжения на нём, которое и является выходным напряжением для схемы. Из этого следует, что каскад ОК не поворачивается фазу входного сигнала. Эта схема носит ещё одно название – эмитерный повторитель.

Особенности такого включения:

• выходной сигнал и выходной имеют одинаковую фазу;
• довольно высокое (десятки кОм) Rвх и довольно малое Rвых.
• схема имеет стабильную величину K_U»1;
• большой динамический диапазон входного сигнала за счет стопроцентной ООС.

 

Параметры транзистора  делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры  характеризуют свойства транзистора, не зависимо от схемы его включения. В качестве основных собственных  параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:
• r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
• r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
• r_б — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения  транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для  вторичных параметров предложено несколько  систем параметров и соответствующих  им эквивалентных схем. Основными  считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Эквивалентная схема биполярного  транзистора с использованием

h-параметров

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1 при U_m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2 при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1 при U_m2 = 0.

Выходная  проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2 при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными  токами и напряжениями транзистора  выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

 

На  практике h-параметры находят из входных и выходных характеристик транзистора.

 

Входные и выходные характеристики используются также для задания  рабочей точки транзистора

Рабочая точка – это совокупность тока покоя Io и напряжения покоя Uo, которые действуют в схеме при отсутствии входного сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.