Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе - Курсовая работа

.5 Определение постоянных тока и мощности, потребляемых в режиме покоя 2.1 Построение динамической нагрузочной прямой и графический расчет амплитуд сигналов Определение h-параметров и характеристик каскадаМаксимальное напряжение между коллектором и базой: Uкэ макс=70 В, максимальны ток коллектора: I к макс = 400 МА, напряжение питания: Еп = 40 В, амплитуда тока базы: Імб = 0,5 МА, максимальная мощность на коллекторе: Ркмакс = 400 МВТ.При выборе транзистора необходимо руководствоваться следующими условиями: 1. где Іок - коллекторный ток в рабочей точке транзистора, Рок - мощность, рассеиваемая на коллекторе в рабочей точке.Определим мощность, рассеиваемую на сопротивлении RK, по формуле: PRK=Iok Rk=196·10-6·1142=0,235 (Вт). Используя стандарт, выбираем значение мощности на сопротивлении RK, равное PRK = 0,25 Вт. Определим мощность на сопротивлении RЭ по формуле: РRЭ=ІОЭ2·RЭ=196·10-6·560=0,108 (Вт).Поэтому ток ІЭ (следовательно, ток ІК) при постоянном токе базы возрастает с увеличением UКЭ. Вычислим ток Ik’ по формуле: На рис.7 ток ІК=22,5 (МА). Если рабочая точка А лежит непосредственно на характеристике, то справа на выходных характеристиках необходимо прочитать ток базы, соответствующий этой характеристике. Входным является переменное напряжение база - эмиттер Umб, а выходным - переменное напряжение на нагрузке или, что все равно, между коллектором и эмиттером Umk: Коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значения от десятков до сотен. Каждая из этих мощностей определятся половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений: Найдем коэффициент усиления каскада по мощности, используя следующую формулу: Важными величинами, характеризующими транзистор, является его входное и выходное сопротивления, рассчитываемые по следующим формулам: Определим КПД усилителя по формуле: 2.3 Определение емкостей конденсаторов на входе и выходе каскада и в цепи эмиттераИзучены основные принципы его работы, свойства, факторы, влияющие на работу, определены h - параметры транзистора и коэффициенты усиления по мощности, напряжению и току. Каскад с общим эмиттером обладает наибольшим усилением по мощности и поэтому может применяться при необходимости получить максимальное усиление с минимальным числом транзисторов. Каскад с общим эмиттером менее стабилен, чем другие схемы по коэффициенту усиления при изменении температуры и требует для стабилизации введения отрицательных обратных связей, снижающих усиление.

Содержание

Техническое задание

Введение

1. Расчет элементов схемы по постоянному току

1.1 Предварительные данные для расчета

1.2 Выбор транзистора

1.3 Определение координат рабочей точки транзистора на выходных характеристиках транзистора

В работе рассчитан усилительный каскад на биполярном транзисторе. Изучены основные принципы его работы, свойства, факторы, влияющие на работу, определены h - параметры транзистора и коэффициенты усиления по мощности, напряжению и току.

Использованы входные и выходные характеристики для графического расчета, выявлены основные свойства характеристик транзистора.

Каскад с общим эмиттером обладает наибольшим усилением по мощности и поэтому может применяться при необходимости получить максимальное усиление с минимальным числом транзисторов. Это обстоятельство определяет широкое распространение схемы с общим эмиттером. Каскад с общим эмиттером менее стабилен, чем другие схемы по коэффициенту усиления при изменении температуры и требует для стабилизации введения отрицательных обратных связей, снижающих усиление. Область устойчивой работы меньше, чем в схеме с общей базой. Максимальное напряжение на коллекторе ниже , что накладывает некоторые ограничения на амплитуду переменного напряжения на коллекторе и на напряжения источника питания. При конструировании схем все это необходимо учитывать. Коэффициент усиления по току каскада с общим эмиттером обычно составляет десятки и сотни, входное и выходное сопротивления достаточно велики, все это облегчает построение многокаскадных усилителей с такой схемой.

Определены h-параметры транзистора и рассчитаны основные характеристики усилительного каскада.

Техническое задание

1. Рассчитать элементы схемы и параметры однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе малой мощности.

2. Схема каскада с эмиттерной стабилизацией режима работы. ток транзистор усилитель мощность

3. Рассчитать элементы схемы по постоянному току.

4. Рассчитать графически параметры усилителя.

5. Определить h - параметры транзистора и характеристики схемы.

5. Тип биполярного транзистора МП26.

6.Напряжение питания 40В.

7. Нижняя частота усиливаемого сигнала 10 КГЦ.

8. Сопротивление нагрузки 1000 Ом.

9. Амплитуда тока базы 0,5 МА.

Введение

Транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя или несколькими р-n-переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода или более.

Транзисторы в зависимости от принципа действия и конструктивных признаков подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходам и тремя выводами или более, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя p-n-переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-р-типа и n-р-n-типа.

Транзисторы, в которых p-n-переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными.

Физические процессы в транзисторах состоят в следующем.

Упрощенная структура плоскостного р-n-р-транзистора показана на рис. 1а, условные обозначения р-n-р- и n-р-n-транзисторов- на рис. 1 б.

Рис. 1. Упрощенная структура плоскостного транзистора (а) и его условные обозначения с указанием направления токов (б)

При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, а к другому обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой - эмиттером (Э).

Рис. 2. Структуры транзисторов. а - сплавного; б - эпитаксиально-диффузионного; в - планарного; г - мезатранзистора; 1 - база; 2 - эмиттер; 3 -эпитаксиальная пленка; 4 - подложка.

Средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой - коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение носит название инверсного. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

Типовые конструкции биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рис. 2.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Понятие «диффузионный транзистор» отражаем основные процессы, происходящие в базе, поэтому его не следует путать с технологическим процессом получения р-n-переходов.

Рис. 3. Энергетические зонные диаграммы диффузионного (а) и дрейфового (б) транзисторов при равновесном состоянии p-n-переходов.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу - сравнительно высокоомной. При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора, Это видно из энергетических зонных диаграмм диффузионного и дрейфового транзисторов, приведенных на рис.3 а, б. Для базы уровень Ферми лежит вблизи середины запрещенной зоны, характеризуемой электростатическим потенциалом ЦЕ, для эмиттера уровень Ферми лежит вблизи потолка валентной зоны , а для коллектора - на несколько большем расстоянии. В связи с разной концентрацией примеси в базе дрейфового транзистора расстояние между уровнем Ферми и дном зоны проводимости изменяется по длине базы (рис.3, б). Потенциальные барьеры эмиттерного и коллекторного переходов (контактные разности потенциалов) обозначены, как и Все положения, рассмотренные ранее для единичного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесном между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый p-n-переход, и результирующие токи равны нулю.

Инерционные свойства транзистора.

При быстрых изменениях входного сигнала, например ІЭ, проявляются инерционные свойства транзистора. Они обусловлены конечным временем «пролета» носителей заряда через область базы; временем, необходимым на перезарядку емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и на установление необходимых концентраций носителей зарядов. В итоге выходной сигнал (ток ІК) будет иметь искаженную форму. Если у транзистора, работающего в активной области, скачком изменить ток на ДІЭ (рис.4, а), то ІК вначале практически не меняется, а затем начинает нарастать до установившегося значения по сложному закону, увеличиваясь на ДІК (рис. 4, б).

Рис.4. Диаграмма изменения токов эмиттера (а) и коллектора (б).

В инженерной практике чаще всего считают, что изменения выходного сигнала происходят по экспоненте с задержкой на время тздб. Экспоненциальная функция имеет постоянную времени фб, приблизительно равную времени, в течение которого выходной сигнал достигает 0,63 установившегося значения. Изменения выходного сигнала не соответствуют изменениям входного. Это свидетельствует о том, что коэффициент б является функцией времени. Так как данная зависимость достаточно сложная, при практических расчетах ее заменяют более простыми функциями. В большинстве случаев считают, что в операторном виде изменение сигнала происходит в соответствии с выражением

, (1) где б0 -статическое значение коэффициента передачи эмиттерного тока; р - оператор Лапласа.

Постоянная времени фб определяется как фб=1/щб. (2)

Здесь щб - предельная частота, на которой коэффициент б становится равным 0,7 своего статического значения (уменьшается на 3 ДБ).

При необходимости учесть время задержки (1) несколько усложняют, вводя в числитель функцию е

. (3)

Иногда применяют другое приближение, которое является более сложным и менее удобным, но позволяет точнее аппроксимировать передаточную характеристику: . (4)

Используют три схемы включения транзистора.

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рис.5): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

Рис. 5. Включение транзистора по схеме с общей базой (а), с общим эмиттером (б), с общим коллектором (в).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т.е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Выходными напряжениями UВЫХ являются переменные составляющие напряжений на резисторах RK и RЭ.

Для удобства и упрощения расчетов в справочниках приводят статические входные и выходные характеристики для схем включения с ОБ и ОЭ.

Используют h-параметры транзисторов.

При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника, на входе которого действует напряжение u1 и протекает ток i1 а на выходе - напряжение u2 и ток i2. Для транзисторов чаще всего используются h- параметры, так как они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, имеет вид:

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий: -входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

-коэффициент обратной связи по напряжению;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе на входе.

По эквивалентной схеме транзистора для переменного тока можно найти, от чего зависит каждый из коэффициентов. Для схем с ОБ и с ОЭ например, если СЭ и СК и генератор напряжения МЭКUКБ не учитывать, то* h ? rэ.диф r (1-б); h ? r" rэ.диф (в 1);

h ; h ;

h ; h ; (5) h ; h .

В выражениях (5) учтено, что сопротивление базы у реальных транзисторов порядка сотен Ом. Значения сопротивления r находится в пределах долей - десятков мегом, 0,9 ч 0,99.

Значения коэффициентов h можно определить также с помощью эквивалентной схемы для постоянного тока. Однако наиболее часто представляют интерес только h21э и h21б: h21б ? (Ік - ІКБО)/ІЭ= ;

h21э=(ІЭ -ІКЭО)/ІБ=(ІК-ІКБО)/(ІБ ІКБО)= ;

Они равны интегральным коэффициентам передачи эмиттерного и базового токов.

Для транзисторов в соответствии с ГОСТ 20003-74 задают не коэффициенты б, в, а равные им в первом приближении параметры h21э и h21б. При анализе цепей с биполярными транзисторами в дальнейшем будем использовать параметры транзистора, выраженные через коэффициенты четырехполюсника. Коэффициенты б и в будем привлекать лишь для объяснения физических особенностей работы различных полупроводниковых приборов.

Основные параметры биполярных транзисторов: Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока (дифференциальные коэффициенты передачи)

дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении

ІКБО=ІК ; UКБ<0;

Объемное сопротивление базы биполярного транзистора ;

Коэффициент внутренней обратной связи по напряжению ;

Выходная проводимость или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

;

максимально допустимый ток коллектора ІК max;

наибольшая мощность рассеяния коллектором РКМАХ;

емкость коллекторного перехода СК;

тепловое сопротивление между коллектором транзистора и корпусом RT =ДТ/ РКМАХ, где ДТ- перепад температур между коллекторным переходом и корпусом;

предельная частота усиления f21 или щh21, на которой коэффициент передачи тока h21 уменьшается до 0,7 своего статического значения: ; ;

часто вмеасто предельной задают граничную частоту коэффициента передачи в схеме с ОЭ fгр или щгр, когда h21Э>1;

Максимальная частота генерации fmax ? это наибольшая частота, при которой может работать в схеме автогенератора. Ориентировочно можно считать, что на этой частоте коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице.1. Транзисторы. - Справочник. Издание 3-е /под ред. И.Ф. Николаевского. Издательство «Связь»: М.: 1999, - 623 стр.

2. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы. - Справочник. Б.А. Бородин, В.М. Ломакин, В.В. Моряков. М.: Радио и связь, 1985, - 904 стр, ил.

3. Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники - М.: Энергия, 1973, - 256 стр. с ил.

4. Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. - Учебник для студентов ВТУЗОВ. Издание 2-е доп. М.: Энергия, 1972, - 536 стр. с ил.

5. Батушев В.А. Электронные приборы: учебник для ВУЗОВ. - 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Высшая Школа, 1980 - 383 стр., ил.

6. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. - Справочник /под ред. Н.Н. Горюнова М.: Энергоиздат, 1982, - 904 стр., ил.

7. Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. - Издание 2-е испр. и доп. К.: Техника, 1975, - 360 стр.

8. Гусев В.Г., Гусев Ю.В. Электроника: учеб. Пособие для ВУЗОВ. - М.: Высшая школа, 1982, - 495 стр., ил.

9. Жеребцов И.П. Основы электроники. - 5-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд - ние, 1990, - 352 стр., ил.

10. Прянишников В.А. Электроника: полный курс лекций. - 3-е изд., испр. и доп. - СПБ.: Учитель и ученик: Корона принт, 2003, - 416 стр., ил.

11. Транзисторы. Параметры, методы измерений и испытаний. /под ред. И.Г. Бергельсона Издательство Советское радио, М.: 1968, - 506 стр.

Размещено на .ru