Расчет емкости конденсатора фильтра

.

Выбираем электролитический конденсатор типа с рабочим напряжением 20 В и емкостью 8000 мкФ.

6.4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два p - n перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. В зависимости от чередования p и n областей различают транзисторы с p - n - p и n - p - n структурой, рис.6.14. Средний слой биполярного транзистора называется базой (Б), один крайний слой – коллектором (К), а другой крайний слой – эмиттером (Э). Каждый слой имеет вывод, с помощью которого транзистор включается в электрическую цепь. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков – свободных дырок и электронов.

Рис. 6.14. Структура и графическое обозначение биполярных транзисторов
p - n - p типа (а) и n - p - n типа (б)

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, коллектором и базой – коллекторным. Эмиттерный переход включается в прямом направлении, коллекторный переход – в обратном направлении. Общая точка эмиттерной и коллекторной цепей соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора называется схемой с общей базой, рис.6.15,а. Схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим коллектором приведены на рис.6.15, б, в.

Рис. 6.15. Схемы включения транзистора: а – с общей базой,
б – с общим эмиттером, в – с общим коллектором

Толщина базы выбирается достаточно малой, чтобы дырки, двигаясь через базу, не успели рекомбинировать с электронами в области базы. Таким образом, основная часть дырок пролетает сквозь базу до коллекторного перехода. Здесь дырки увлекаются электрическим полем коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, и создают в цепи коллектора ток, величина которого пропорциональна эмиттерному току I_Э:

I_К ≈ α I_Э.

Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом передачи тока эмиттера. При достаточно тонкой базе, когда потери дырок за счет рекомбинации их в базе малы, коэффициент передачи тока может доходить до 0,99 и более.

Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера, который в свою очередь можно изменять напряжением эмиттер – база, U_ЭБ. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, включенной в цепи коллектора, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление тока в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Для усиления электрических сигналов применяются схемы с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Работу биполярного транзистора по схеме с ОЭ определяют статические входные и выходные характеристики.

Входные характеристики устанавливают зависимость тока базы I_Б от напряжения эмиттер - база U_ЭБ при неизменном напряжении коллектор - эмиттер U_КЭ. Входные (базовые) статические характеристики для схемы ОЭ германиевого транзистора p - n - p типа ГТ320А приведены на рис.6.16.

Так как эмиттерный переход включен в прямом направлении, повышение напряжения на нем приводит к увеличению тока, подобно характеристики полупроводникового диода.

Выходные (коллекторные) статические характеристики устанавливают связь между коллекторным током I_К и напряжением коллектор – эмиттер U_КЭ при постоянном токе базы I_Б. Выходные характеристики транзистора ГТ320А, включенного по схеме ОЭ, приведены на рис.6.17.

В электронных устройствах широко используется схема усилителя с общим эмиттером, представленная на рис.6.18. В качестве усилительного элемента в данном случае используется транзистор ГТ320А. Сопротивление нагрузки усилительного каскада R_К включено в коллекторную цепь транзистора. Входное усиливаемое напряжение U_ВХ подается на базу транзистора. Питание усилителя осуществляется от источника постоянного напряжения Е_К.

Рис. 6.16. Входные статические характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.17. Выходные характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.18. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Данное уравнение является уравнением прямой, которое наносится

Режимы работы усилительного каскада находятся по уравнению нагрузки, которое определяется следующим образом. Напряжение коллектора U_КЭ = U_ВЫХ при наличии нагрузки R_К в его цепи, как следует из рис. 6.18, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, равно

U_КЭ = Е_К – R_К·I_К.

на семейство выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Построение прямой (уравнения нагрузки) проводится путем нахождения двух точек, приравнивая поочередно нулю U_КЭ и I_К в уравнении нагрузки. При U_КЭ = 0 имеем точку 1 линии нагрузки I_К = Е_К /R_К, точку 2 получаем при I_К = 0, U_КЭ = Е_К. Данный режим работы усилительного каскада выбран при R_К = 100 Ом, Е_К = 10 В.

Пересечение линий нагрузки с коллекторными характеристиками определяет режим работы усилительного каскада при различных базовых токах.

Рассмотрим один из наиболее распространенных усилительных каскадов на транзисторах – каскад с общим эмиттером (ОЭ) (рис.1.6а).

Рис. 1.6. Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером

Назначение элементов схемы следующее:

- VT1 - активный усилительный элемент

- С_р1 и С_р2 - разделительные конденсаторы, разделяют по постоянному току и связывают по переменному токи цепи между которыми они включены;

- R1 и R2 - резистивный делитель напряжения в цепи базы, задает рабочее напряжение (рабочую точку) на базе транзистора;

- R_э – эмиттерное сопротивление, создает отрицательную обратную связь и служит для температурной стабилизации рабочей точки, но его введение уменьшает коффициент усиления;

- R_к – сопротивление коллекторной цепи, служит для преобразования усиленного транзистором тока в усиленное напряжение;

- R_н – сопротивление нагрузки усилителя;

- C_э – конденсатор эмиттерной цепи, устраняет отрицательную обратную связь, создаваемую резистором R_э, в рабочем диапазоне частот, что увеличивает коэффициент усиления каскада;

- C_о=C_кэ+C_м+С_{сл.каскада} – паразитная емкость: C_кэ – выходная емкость транзистора; С_м - емкость монтажа; С_вх – входная емкость следующего каскада, или прибора, подключаемого в усилителю, например, осциллографа. На схеме емкость С₀ показана пунктиром, поскольку реально в схеме не ставится.

Идеальный усилитель должен увеличивать входной сигнал в заданное число раз (K_u) без изменения формы сигнала. В реальных усилителях этого не происходит. Всегда есть отличия, которые и составляют искажения создаваемые усилителем. Искажения бывают двух видов: линейные и нелинейные.

Схема работает так. Напряжение рабочей точки, между базой и эмиттером U_бэрт, задается резистивным делителем напряжения (R1, R2) и резистором эмиттерной цепи R_э. В результате этого напряжения возникают токи базы I_брт и коллектора I_крт в рабочей точке. Напряжение на коллекторе в рабочей точке равно: U_крт= Е_п- I_крт^. R_к.

Входное переменное напряжение u_вх через разделительный конденсатор С_р1 передается на базу транзистора VT1, где суммируется с постоянным напряжением в рабочей точке(рис.1.6 б).. В результате ток базы становится переменным I_б= I_брт+ I_mб Он вызывает пульсацию тока коллектора (I_к=bI_б= I_крт+ I_mк) и коллекторного напряжения U_к= U_крт+U_mк. Переменная составляющая напряжения на коллекторе U_кm через разделительный конденсатор С_р2 передается на сопротивление нагрузки и создает выходное напряжение: u_вых =u_кэm. Выходное напряжение находится в противофазе с входным переменным напряжением.

Режимы работы усилительного каскада находятся по уравнению нагрузки, которое определяется следующим образом. Напряжение коллектора U_КЭ = U_ВЫХ при наличии нагрузки R_К в его цепи, как следует из рис.1.7, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, равно

U_КЭ = Е_К – R_К·I_К

Рис. 1.7.

Данное уравнение является уравнением прямой, которое наносится на семейство выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Построение прямой (уравнения нагрузки) проводится путем нахождения двух точек, приравнивая поочередно нулю U_КЭ и I_К в уравнении нагрузки. При U_КЭ = 0 имеем точку 1 линии нагрузки I_К = Е_К /R_К, точку 2 получаем при I_К = 0, U_КЭ = Е_К. Данный режим работы усилительного каскада выбран при R_К = 100 Ом, Е_К = 10 В.

Пересечение линий нагрузки с коллекторными характеристиками определяет режим работы усилительного каскада при различных базовых токах.

От выбора рабочей точки зависит усиление каскада, КПД, искажения сигнала.

Рабочей точкой называют совокупность токов и напряжений на выводах транзистора, когда входной сигнал раве нулю.

Если рабочая точка выбрана на середине нагрузочной прямой (режим класса А) то искажения сигнала минимальны, формы входного и выходного сигналов совпадают (рис.1.8).

При большом входном сигнале, в режиме класса А наблюдаются двухсторонние ограничения (сверху и снизу. Рис.1.9).

Если рабочая смещена к режиму отсечки, то выходной сигнал по напряжению имеет ограничения сверху (рис.1.10).

Если рабочая смещена к режиму насыщения, то выходной сигнал по напряжению имеет ограничения снизу (рис.1.11).

Рис.1.8. Режим малого сигнала. РТ на середине линейного участка	Рис.1.9. Режим большого сигнала. РТ на середине линейного участка
Рис.1.10.Режим большого сигнала. РТ смещена к напряжению отсечки.	Рис.1.11.Режим большого сигнала. РТ смещена к напряжению отсечки.

6.5. Пример расчет параметров усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером

Для схемы усилительного каскада с общим эмиттером, представленной на рис. 6.18, определить основные параметры усилителя при следующих значениях номиналов элементов схемы: транзистор ГТ320А, входные и выходные характеристики которого представлены на рис. 6.16, 6.17 резистор в коллекторной цепи R_K = 100 Ом; источник питания усилительного каскада E_K = 10 В; амплитуда входного синусоидального сигнала низкой частоты, подлежащего усилению U_m = 0,1 В, рабочая точка транзистора: I_Б0 = 0,48 мА, U_КЭ0 = 6,6 В.

Параметры усилительного каскада, подлежащие определению:

1. Положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора (рис.6.16 и рис.6.17).

2. h – параметры транзистора в районе рабочей точки.

3. Входное сопротивление усилительного каскада, R_ВХ.

4. Выходное сопротивление усилительного каскада, R_ВЫХ.

5. Коэффициент усиления каскада по напряжению, K_U.

6. Величина выходного напряжения усилительного каскада.

Решение задачи.

1. Начертить схему усилительного каскада с учетом заданного типа транзистора. На схеме указать токи и напряжения транзистора, а также U_вх и U_вых и описать назначение элементов схемы.

2. По исходным данным и графикам входных и выходных ВАХ транзистора (рис.6.16 и рис.6.17) найти рабочую точку (точку покоя) на входных ВАХ, построить статическую линию нагрузки и найти рабочую точку на семействе выходных ВАХ транзистора.

Режим покоя усилительного каскада, при котором U_ВХ = 0, определяет положение рабочей точки на семействе выходных характеристик на рис. 6.17. Найдем положение рабочей точке на семействе входных ВАХ. Рабочая точка находится на ВАХ, при U_КЭ = - 5 В и I_Б0 = 0,48 мА, Этой точки соответствует точка А с координатой I_Б0 = 0,48 мА, U_БЭ0 = 0,43 В.

Для нахождения рабочей точки на семействе выходных ВАХ строим нагрузочную прямую. Нагрузочная прямая определяется уравнением

и строится по двум точкам: при I_К = 0, U_КЭ = Е_П и при U_КЭ = 0, I_К = Е_П/R_К, т.е. (Iк=0 . U_КЭ = Е_П=10 В и U_КЭ = 0, I_К = I_Кмах= Е_П/R_К=100мА).

Положение рабочей точки на коллекторных характеристиках получается при пересечении линии нагрузки с характеристикой I_K = f(U_КЭ), при I_Б0 = 0,48 mА. Поскольку выходной ВАХ при I_Б0 = 0,48 mА нет, то ее строим по аналогии с соседними, используя метод пропорций. Построение данной характеристики проводим приближенно, она лежит между характеристиками при I_Б = 0,4 mА и I_Б = 0,6 mА и смещена ближе к характеристики при I_Б = 0,4 mА. Таким образом, в коллекторной цепи рабочая точка будет соответствовать значениям I_K0 = 35 mА и U_КЭ0 = 6,6 В.