Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе

Расчет элементов схемы по постоянному току. Определение координат рабочей точки транзистора на выходных характеристиках. Графоаналитическтй расчет параметров усилителя, каскада по переменному сигналу. Нахождение постоянного тока и мощности в режиме покоя.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

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

1.4 Входные и выходные характеристики

1.5 Определение постоянных тока и мощности, потребляемых в режиме покоя

2. Графоаналитическтй расчет параметров усилителя

2.1 Построение динамической нагрузочной прямой и графический расчет амплитуд сигналов

2.2 Расчёт параметров каскада по переменному сигналу

2.3 Определение емкостей конденсаторов на входе и выходе каскада и в цепи эмиттера

3. Определение h-параметров и характеристик каскада

3.1 Определение входного сопротивления

3.2 Определение коэффициента обратной связи напряжению

3.3 Определение коэффициента усиления по току

3.4 Определение выходной проводимости

3.5 Определение коэффициентов усиления через h - параметры

Заключение

Список литературы

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 ц_E, 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 I_Э, 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 I_К) будет иметь искаженную форму. Если у транзистора, работающего в активной области, скачком изменить ток на ДI_Э (рис.4, а), то I_К вначале практически не меняется, а затем начинает нарастать до установившегося значения по сложному закону, увеличиваясь на ДI_К (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 t_здб. Экспоненциальная функция имеет постоянную времени ф_б, 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 ф_б определяется как

ф_б=1/щ_б. (2)

Здесь щ_б -- 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 cложным 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 резис...