Исследование работы режимов биполярных транзисторов

Схема с общим  эмиттером имеет промежуточное  значение входного и выходного сопротивления по сравнению с другими схемами включения. Коэффициент усиления по напряжению почти такой же, как у схемы с общей базой, а коэффициент усиления по току почти столь же большой, как у схемы с общим коллектором; в результате данная конфигурация обычно дает наивысший коэффициент усиления по мощности. Фаза сигнала меняется на 180°.

2.1. Усилитель с общим эмиттером.

Схема  транзисторного  усилителя с общим эмиттером приведена на

рисунке 14.

Схема содержит: усилительный элемент, в качестве которого выступает биполярный транзистор VT1; сопротивление нагрузки R_К; сопротивление для стабилизации режима по постоянному току R_Э. Делитель на резисторах R₁, R₂, задает потенциал  базы  транзистора VT1. Разделительный  конденсатор  С_разд  применяется для разделения входной цепи транзистора и источника сигнала по постоянному току, блокировочный конденсатор С_бл, служащий для увеличения коэффициента усиления каскада в рабочей полосе частот. Для рабочей полосы частот емкостное сопротивление блокировочного конденсатора С_бл должно быть много меньше сопротивления резистора R_Э.

 

Рис. 14. Схема транзисторного усилителя с общим эмиттером.

 

Усилительный  каскад  сначала  рассчитывают  по  постоянному  току (статический режим).  При этом  виде  расчета проектировщик задается обычно  напряжениями и токами в узлах схемы и сопротивлением R_Э, исходя из требований к усилителю. В результате расчета определяются сопротивления резисторов, обеспечивающих выбранные режимы:

R_К = (U_пит – U_К) / I_К,                                               (8)

U_Э = I_Э R_Э,                                                        (9)

U_Б = I_Э R_Э + 0,7,                                                  (10)

I_дел ≈ 0,1 I_К,                                                    (11)

R₁ = (U_пит – U_Б) / I_дел,                                             (12)

R₂ = U_Б / I_дел.                                                  (13)

При  расчете  каскада  по  переменному  току  определяются коэффициент  усиления  по  напряжению,  входное  сопротивление,  верхняя F_В и нижняя F_Н граничные частоты. Коэффициент усиления  по напряжению в рабочей полосе частот равен:

К_U = U_вых / U_вх = R_К / (r_Э + (R_Г + r_Б) / β),                           (14)

где r_Э – дифференциальное сопротивление прямо смещенного эмиттерно-базового перехода, Ом, R_Г – сопротивление источника сигнала с учетом включенных параллельно ему резисторов R₁ и R₂, Ом, r_Б – сопротивление базовой области транзистора, Ом, β – коэффициент усиления транзистора по току.

 

Входное сопротивление транзистора в рабочей полосе частот равно:

R_вх.тр = β r_Э + r_Б.                                                    (15)

Для  определения  входного  сопротивления R_вх  каскада необходимо учесть параллельное включение сопротивлений R_вх.тр, R₁ и R₂. Верхняя и нижняя граничные частоты определяются из амплитудно-частотной характеристики усилителя. Амплитудно-частотная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U_вых от частоты F. Вид амплитудно-частотной характеристики представлен на рисунке 15.

Рис. 15. Амплитудно-частотная  характеристика

усилителя с  общим эмиттером.

 

Нижняя и  верхняя граничные частоты соответствуют частоте, на которой выходное напряжение U_вых уменьшается в корень из двух раз. Емкость конденсатора С_бл выбирается из условия обеспечения нижней граничной частоты:

С_бл = 1 / (0,82p F_Н (r_Э + (R_Г + r_Б) / β)).                                  (16)

Выражение (16) можно  упростить, если учесть, что сопротивление  источника сигнала, как правило, близко к нулю, а также тот факт,  что коэффициент усиления современных маломощных транзисторов достигает 100 и более единиц. Тогда выражение (R_Г + r_Б) / β много меньше r_Э, и выражение (16) можно представить в виде:

С_бл = 1 / (0,82p F_Н r_Э).                                           (17)

Емкость разделительного конденсатора также выбирается из условия обеспечения нижней граничной частоты:

С_разд = 1 / (0,82p F_Н R_вх).                                         (18)

Верхняя  граничная  частота  усилителя  приближенно  оценивается  из следующего соотношения, учитывающего сопротивление нагрузки в цепи коллектора и емкость перехода коллектор-база:

F_В ≈ 1 / (2p R_К С_К).                                              (19)

 

При  предложенном  методе  расчета  емкостей  конденсаторов  С_бл  и С_разд выходное напряжение уменьшается на частоте F_Н в два раза. То есть реальная нижняя граничная частота оказывается несколько выше заданной.

2.2. Усилитель с общей базой.

Схема  транзисторного  усилителя  с  общей  базой  приведена на рисунке 16. Режим по постоянному току транзистора рассчитывается также, как и для схемы с общим эмиттером.

Рис. 16. Схема  транзисторного усилителя с общей  базой.

 

Коэффициент передачи тока для каскада с общей базой меньше единицы, так как часть эмиттерного тока ответвляется в базу:

I_Э – I_Б = I_К,                                                  (20)

a = I_К / I_Э < 1,                                               (21)

где a - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общей базой. В современных транзисторах коэффициент α близок к единице (0.98 - 0.99), поэтому в практических расчетах можно считать Iэ = Iк.

Коэффициент усиления по напряжению равен:

К_U = R_К / R_Г.                                              (22)

2.3. Усилитель с общим коллектором.

Схема  транзисторного  усилителя  с  общей  базой  приведена на рисунке 17.

Схема с общим  коллектором, как было отмечено выше, обладает самым низким выходным и самым высоким входным сопротивлениями из всех схем включения транзистора. Поэтому такая схема применяется как согласующий каскад между источниками входных сигналов с высоким выходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой. Данная схема имеет высокий коэффициент усиления по току, однако не усиливает напряжение. Выходной сигнал повторяет по фазе и амплитуде входной, поэтому часто схему усилителя с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.

 

Рис. 17. Схема  транзисторного усилителя с общим  коллектором.

 

Схема с общим  коллектором применяется в качестве входных и выходных каскадов для  обеспечения большого входного и  малого выходного сопротивлений усилителя. Также применяется в качестве согласующего каскада между усилительными каскадами с общей базой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. КЛЮЧ  НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Схема транзисторного ключа представлена на рисунке 18. Транзисторный  ключ может находится в закрытом или открытом состоянии.

Рис. 18. Схема  транзисторного ключа.

 

В закрытом состоянии на вход ключа не подается управляющее напряжение. При этом коллекторно-базовый переход смещен в обратном направлении, эмиттерно-базовый переход закрыт. Транзистор находится в так называемом режиме отсечки. На выходе транзисторного ключа устанавливается напряжение близкое к напряжению источника питания.

В открытом состоянии на вход ключа подается управляющее напряжение, оба перехода смещены в прямом направлении и транзистор находится в режиме насыщения. Выходное напряжение близко к нулю. Открытое состояние характеризуется током насыщения ключа:

I_Кнас = (U_пит – U_КЭнас) / R_К,                                   (23)

где U_КЭнас – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в насыщенном состоянии, В.

Нагрузочная способность  ключа зависит от степени его  насыщения, которая определяется по формуле:

S = β I_Б / I_Кнас,                                             (24)

где S – коэффициент насыщения транзистора, β – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. При увеличении коэффициента насыщения увеличивается нагрузочная способность ключа, снижается влияние дестабилизирующих факторов, но ухудшается его быстродействие.

Для исследования динамических характеристик транзисторного ключа используется схема, представленная на рисунке 19.

 

Рис. 19. Схема  для исследования динамических

характеристик транзисторного ключа.

 

В динамическом режиме на вход транзисторного ключа  подаются импульсы прямоугольной формы. При этом в ключе возникают переходные процессы. На рисунке 20 приведены графики зависимости напряжения на коллекторе от времени при подаче на вход ключа прямоугольных импульсов напряжения.

Рис. 20. Форма  напряжения на входе и выходе

транзисторного  ключа.

 

На рисунке 20 приняты следующие обозначения:

- t_ЗФ – задержка фронта;

- t_Ф – время формирования фронта;

- t_зс или t_рас – время рассасывания неосновных носителей в базе, определяется временем жизни неосновных носителей заряда в базовой области и коллекторе;

- t_С – время формирования среза.

Сумма времени  задержки фронта t_ЗФ и времени формирования фронта t_Ф определяет время включения транзисторного ключа, сумма времени рассасывания неосновных носителей заряда в базе t_рас и времени формирования среза t_С определяет время выключения ключа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ПРОГРАММА МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ PROTEUS VSM

4.1. Главное окно программы PROTEUS VSM.

Программа PROTEUS VSM разработана компанией Labcenter Electronics (Великобритания) и предназначена для автоматизированного проектирования электронных схем. Программа PROTEUS VSM состоит из двух подпрограмм: ISIS – программа синтеза и моделирования электронных схем, ARES – программа разработки печатных плат. После установки программы PROTEUS VSM на персональном компьютере, указанные подпрограммы обозначаются ярлыками, изображенными на рисунке 21.

 

 

Рис. 21. Ярлыки подпрограмм PROTEUS VSM.

 

В данной работе будет рассмотрена только подпрограмма синтеза и моделирования электронных  схем ISIS.

Программа компьютерного  моделирования PROTEUS VSM позволяет синтезировать схему будущего  электронного устройства и промоделировать его работу. Программа PROTEUS VSM позволяет работать не только с простыми аналоговыми и цифровыми схемами, но и со схемами, содержащими контроллеры, имеющими собственное программное обеспечение. В процессе моделирования могут быть выявлены ошибки, которые были допущены при синтезе схемы, а также ошибки в программном обеспечении сложных контроллерных схем. Кроме того, программа моделирования позволяет оперативно дорабатывать схему разрабатываемого электронного устройства, удалять элементы, добавлять новые элементы в схему, и многое другое.

Рассмотрим  окно программы PROTEUS VSM в режиме моделирования  электронных схем. Окно программы представлено на рисунке 22.

Все рабочее  пространство программы разделено на несколько областей. В левом верхнем углу основного окна программы располагается окно обзора, позволяющее оперативно перемещаться по схеме проекта.

 

Рис. 22. окно программы PROTEUS VSM в режиме

моделирования электронных схем.

 

Основной рабочей  зоной является окно редактора схем. Синтез схемы из отдельных компонентов производится именно здесь. При перемещении курсора по окну редактора текущие координаты курсора отображаются для удобства в правом нижнем углу.

Ниже окна обзора располагается окно выбора объектов, в котором при редактировании схем и симуляции отображаются доступные элементы в зависимости от выбранного режима. Например, в режиме «Virtual Instruments Mode» (режим виртуальных инструментов) вид окна выбора представлен на рисунке 23. Программа моделирования позволяет в качестве инструментов исследования электронных схем использовать осциллограф, логический анализатор, вольтметр постоянного и переменного напряжения, амперметр постоянного и переменного тока, счетчики времени и так далее.