Моделирование в программе Electronics Workbench (EWB).
Полупроводниковые приборы. Транзисторы.



Содержание:
  • Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ).
  • Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК).
  • Схема включения транзистора с общей базой (ОБ).


  • Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ).

    При исследовании свойств биполярных транзисторов, обычно используют схему включения транзистора с общим эмиттером, то есть когда эмиттер подключен к "земле", коллектор, через сопротивление нагрузки, подключен к источнику питания, а на базу подаётся напряжение смещения. Соберём схему, показанную на рисунке:



    В схеме используется транзистор структуры n-p-n, нагрузочное сопротивление - 1 кОм, источник питания напряжением 12 вольт и амперметр.
    Мы видим, что амперметр показывает очень низкое значение тока протекающего через нагрузочное сопротивление и переход коллектор - эмиттер транзистора. Этот ток называется током утечки n-p-n перехода.
    По определению транзистора, малый ток базы управляет большим током в цепи коллектор - эмиттер (в схеме с ОЭ).
    Для создания усилительного каскада по схеме с ОЭ, следует создать начальный ток базы, такой, чтобы транзистор находился рабочем режиме. В нашей схеме транзистор находится в режиме отсечки (сопротивление К - Э стремится к бесконечности). Второй крайний режим называется режимом насыщения, то есть когда на базу поступает максимальный ток, который уже никак не влияет на ток проходящий в цепи К-Э (ток коллектора). В этом случае говорят, что транзистор открыт и коллекторный ток определяется сопротивлением нагрузки, а сопротивление перехода К - Э можно принять равным 0. Между двумя этими точками, посередине находится рабочий ток (рабочая точка) базы транзистора.
    На практике, для определения рабочего режима транзистора используют измерение не тока, а напряжения на базе и на участке К-Э. Включение вольтметра не требует разрыва цепи.
    Для определения рабочей точки следует собрать схему, показанную на рисунке:



    Через резистор R1 подаётся напряжение смещения, которое создаёт ток базы. Сопротивление R1, в процессе эксперимента, мы будем изменять от 40 до 300 кОм, с шагом 20 кОм. Вольтметром V1 будем измерять напряжение база - эмиттер, а вольтметром V2, напряжение коллектор - эмиттер.
    Результаты измерений лучше заносить в таблицу, например в Microsoft Excel или Open Office Calc.



    По результатам измерений построим график для изменения напряжения коллектор - эмиттер (КЭ):



    Мы видим, что при измерениях 1-2-3 напряжение КЭ практически не меняется и близко к 0. Этот режим называется режим насыщения. В таком режиме каскад усилителя будет работать с сильными искажениями сигнала, так как усиление будет производиться только отрицательных полуволн сигнала.
    На участке 12-13-14, тоже график постепенно приобретает линейную зависимость, а напряжение на коллекторе практически не меняется. В такой режим называется режимом отсечки. В этом режиме усиление сигнала будет производиться, так же с большими искажениями, так как усиливаться будут только положительные полуволны сигнала. Каскады с режимом отсечки используются в цифровой технике как ключ с инверсией - логический элемент "НЕ".
    Для выбора рабочей точки транзистора в качестве усилителя следует рассчитать точку В на графике. Для этого, следует напряжение базы в точке А сложить с напряжением базы в точке С и поделить пополам (найти среднее арифметическое. (820 + 793)/2 = 806,5. Мы видим, что напряжение базы 806,5 мВ, примерно соответствует 6-му измерению - 807 мВ. Это напряжение на базе транзистора и соответствует рабочей точке каскада с общим эмиттером.
    Подключим ко входу усилителя генератор, а ко входу и выходу осциллограф. Вход соединим с каналом А, а выход усилителя с каналом В. Для развязки усилительного каскада по переменному току на входе каскада установим конденсаторы С1 и С1.
    Примем частоту генератора 1000 Гц (1 кГц), а амплитуду сигнала 10 мВ. На осциллографе установим время развёртки 0,5 миллисекунд на деление, чувствительность канала А - 10 милливольт на деление и чувствительность канала В - 1 вольт на деление.



    Далее следует включить питание схемы и через 2 - 5 секунд выключить. Для удобного считывания показаний осциллографа, следует синусоиду входного сигнала опустить ниже оси Y (счётчиком Y position), а синусоиду выходного сигнала выше оси Y аналогичным образом. Мы видим, что выходной сигнал перевёрнут относительно входного на 180 градусов.
    Рассмотрим амплитудные значения входного и выходного сигналов. Входной сигнал имеет амплитуду 10 мВ (такое значение мы установили на генераторе), а выходной сигнал получился с амплитудой в 1,5 вольта (3 деления по оси Y / 2. Одно деление - 1 вольт). Отношение выходного напряжения сигнала к входному называется коэффициентом усиления по напряжению транзистора в схеме с общим эмиттером. Рассчитаем усиление нашего транзистора Ku = Uвх / Uвых = 1,5 / 0,01 = 150. То есть, каскад на транзисторе, включенном по схеме ОЭ, усиливает входной сигнал в 150 раз.
    Для транзисторного каскада с ОЭ справедливы следующие значения:
    Ku - от 50 до 1500
    Ki (коэффициент усиления тока) - 10-20
    Kp (коэффициент усиления мощности) - 1000-10000
    Rвх (входное сопротивление) - 100 ом - 10 ком
    Rвых (выходное сопротивление) - 100 ом - 100 ком
    Каскад с ОЭ используется, обычно, как усилитель назко- и высокочастотных сигналов.



    Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК).

    Используя те же элементы, переделаем немного схему, включив сопротивление нагрузки в эмиттер транзистора.



    Мы видим, что каскад по схеме с ОК, практически не усиливает по напряжению. Для того чтобы увидеть выходной сигнал пришлось увеличить чувствительность канала В осциллографа до 10 милливольт на деление. Амплитуда входного сигнала, практически равна амплитуде выходного сигнала. Обычно, каскад с ОК используется в электрических схемах, в качестве согласующего, так как имеет высокое входное сопротивление (не шунтирует входной сигнал) и низкое выходное сопротивление. Часто используется в усилителях мощности НЧ, где нагрузку (акустическую систему) можно включить непосредственно в цепь эмиттера.
    Для каскада с ОК справедливы следующие значения:
    Ki - 10-200
    Ku - <1
    Kp - 10-200
    Rвх - 100 ком - 1 мОм
    Rвых - 10 ом - 200 ом



    Схема включения транзистора с общей базой (ОБ).

    Переделаем нашу схему для работы каскада с общей базой. В этой схеме база подключается к положительному проводу источника питания через сопротивление смещения. Для корректной работы каскада в цепи переменного тока, базу так же следует "заземлить" через дополнительный конденсатор - С3. Сигнал подаётся на эмиттер и снимается с коллектора. В цепи коллектора следует установить дополнительный резистор нагрузки (R3 величиной 1 кОм).



    Установим чувствительность канала В осциллографа равной 50 милливольт на деление. Включив питание, увидим, что каскад с ОБ обладает усилением по напряжению. Рассчитаем, чему равен коэффициент усиления Ku = Uвых / Uвх = 75 mV / 10 mV = 7,5. Реально, каскады с ОБ имеют следующие характеристики:
    Ki - < 1
    Ku - 5 - 100
    Kp - 10 - 100
    Rвх - 10 Ом - 100 Ом
    Rвых - 100 ком - 1000 ом
    Каскады по схеме с ОБ имеют хорошие частотные характеристики и используются в качестве усилителей и генераторов в ВЧ и СВЧ диапазонах.






    Яндекс.Метрика    ©Гуков Константин Михайлович 2006 - 2012     Почта: juvel@mail.ru