Введение Дисциплина «Схемотехника аналоговых электронных устройств» является первой дисциплиной, в которой студенты изучают схемотехнику и ее язык. Она располагается в учебном плане специальности на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую и специальную подготовку инженеров. Радиоэлектроника находит применение во всех сферах жизнедеятельности человека. Наиболее важными областями радиоэлектроники являются съем, обработка и передача информационных сигналов. Основным элементом радиоэлектроники являются электрически управляемые сопротивления (усилительные элементы), способные работать в непрерывном и ключевом режимах. Использование усилительных элементов в электрических цепях с активными и реактивными сопротивлениями (резисторы, конденсаторы, индуктивности) позволяет реализовать бесконечное множество схемных решений аналоговой и дискретной радиоэлектроники. Усилительные устройства составляют наиболее широкий класс аналоговой электроники. Функционально полными элементами аналоговой электроники являются операционные усилители (ОУ). В зависимости от используемых в ОУ параметров цепи обратной связи реализуют схемы, выполняющие различные функции, включая выполнение математических операций с поступающими на вход ОУ сигналами. Дисциплина «Электроника и схемотехника аналоговых устройств» имеет большое значение при подготовке радиоинженеров, специализирующихся в области разработки и проектирования радиоаппаратуры. 6 2. Определение Биполярного транзистора Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора. Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера обозначается «Э», базы «Б», и коллектора «К». В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты. С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса. В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время (2015 г.) биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. 2.1.Основные принципы работы БТР Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда. Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два 7 тока - основной "большой" ток, и управляющий "маленький" ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. Как уже было ранее сказано, биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот. У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P. Если подключить источник напряжения между коллектором и эмиттером. Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы. 2.2. Типы включения схем БТР Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями: Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх. (1) Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх. (2) Входное сопротивление усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Достоинства а) Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера. б) Высокое допустимое коллекторное напряжение. в) Недостатки г) Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1 д) Малое входное сопротивление е) Схема включения с общим эмиттером Схема включения с общим эмиттером. Достоинства а) Большой коэффициент усиления по току. 8 б) Большой коэффициент усиления по напряжению. в) Наибольшее усиление мощности. г) Можно обойтись одним источником питания. Недостатки а) Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера. б) Схема с общим коллектором. Схема включения с общим коллектором. Достоинства а) Большое входное сопротивление. б) Малое выходное сопротивление. Недостатки а) Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1. 2.3 . Виды режимов работы БТР Нормальный активный режим Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт): Инверсный активный режим Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое. Режим насыщения Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Режим отсечки В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В). Барьерный режим В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. 9 3. Каскады усиления Каскад усиления - ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями. В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых особых случаях, могут применяться и двухполюсники. В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором, с общим затвором, общим истоком, общим стоком и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом. Каскад с общим эмиттером - наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим. Каскад с общей базой - усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает. Каскад с общим коллектором — называется также повторителем, усиливает ток, оставляя напряжение сигналаравным исходному. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает. Каскад с распределенной нагрузкой -каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными. а) Однотактный усилитель - усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно. б) Двухтактный усилитель - усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°. 4. Транзистор МП40 Транзистор МП40 - Корпус металлостеклянный с гибкими выводами. Масса - около 2 г. Маркировка буквенно-цифровая, на боковой поверхности корпуса. Структура транзистора - p-n-p. Существуют следующие зарубежные аналоги: МП39 - 2N1413, МП40 - 2N104, МП41 возможный аналог - 2N44A, МП42. Наиболее важные параметры: 10 1. Коэффициент передачи тока у транзисторов МП40 находится в пределах от 20 до 40. 2. Максимальное напряжение коллектор–эмиттер – 15В. 3. Предельная частота коэффициента передачи до 1 МГц . 4.Максимальный ток коллектора. - 20мА постоянный, 150мА пульсирующий. 5.Обратный ток коллектора при напряжении коллектор-база 5 В и температуре окружающей среды от -60 до +25 по Цельсию не более - 15 мкА. 6.Обратный ток эмиттера при напряжении эмиттер-база 5в и температуре окружающей среды до +25 по Цельсию не более - 30 мкА. 7.Емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база 5в на частоте 1МГц - не более 60 пФ. 8.Рассеиваемая мощность коллектора-200мВт. 11 5. Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе Вариант – 3. Задан транзистор МП-40. Для этого транзистора h11Э = 900 Ом; h12Э = 8∙10-3; h21Э = 30; h22Э = 60∙10-6 См; RК = 3,0 кОм; UЭ0 = 2,2 В; fН = 30 Гц; PКmax = 0,15 Вт. Общие данные: IК0 = 1 мА; UКЭ0 = 5 В; RН = Rвх. Решение. 1. Падение напряжения на резисторе в состоянии покоя UК0 = IК0 ∙ RК UК0 = 1∙10-3∙3,0∙103 = 3 В. (1) 2. Ток базы в состоянии покоя IБ0 = IК0/ h21Э IБ0 = 10-3/30 = 0,03∙10-3 А = 0,03 мА. (2) 3. Ток делителя напряжения IД = 7∙0,03 IД = 0,21 мА. (3) Ток делителя принимается равным (5…10) IБ0. 4. Напряжение питания усилителя ЕК = UКЭ0 + UК0 + UЭ0 (по второму закону Кирхгофа). (4) ЕК = 5 + 3 + 2,2 = 10,2 В. 5. Падение напряжения на резисторе R2 U2 = UЭ0 + UБЭ0. (5) 12 UБЭ0 для германиевых транзисторов принимают равным: (0,2…0,3) В. U2 = 2,2 + 0,2 = 2,4 В. 6. Падение напряжения на резисторе R1 U1 = ЕК - U2 U1= 10,2 – 2,4 = 8,4 В. (6) 7. Сопротивление R2 R2 = U2/IД R2 = 2,4/0,21∙10-3 = 11,42∙103 Ом = 11,42 кОм. Принимаем номинальное сопротивление резистора 12 кОм. (7) 8. Сопротивление R1 R1 = U1/(IД + IБ0) R1= 7,8/(0,21 + 0,03) ∙10-3 = 32,5∙103 Ом = 32,5 кОм. Принимаем номинальное сопротивление резистора 36 кОм. (8) 9. Входное сопротивление Rвх усилителя определяется параллельным включением сопротивлений R1, R2 и входным сопротивлением транзистора h11Э Тогда 1/Rвх = 1/ R1 + 1/ R2 + 1/ h11Э. (9) 1/Rвх = 1/36000 + 1/12000 + 1/900 = 1,3∙10-3 См; Rвх = 769 Ом. 10. Сопротивление нагрузки усилителя Rн, по условию задачи, принимаем равным входному сопротивлению, поскольку нагрузкой усилительного каскада служит другой такой же каскад Rн = Rвх = 769 Ом. 11. Сопротивление RЭ RЭ = UЭ0/( IК0+ IБ0) RЭ = 2,2/(1 + 0,03)∙10-3 = 2,14∙103 Ом = 2,14 кОм. Принимаем номинальное сопротивление резистора 2,2 кОм. 13 (10) 12. Емкость шунтирующего конденсатора в эмиттерной цепи СЭ выбирается по нижней границе частоты с учетом эмиттерного дифференциального сопротивления транзистора rЭ СЭ > 1/2πfн rЭ, (11) где rЭ = 2h12Э/h22Э. (12) rЭ = 2∙8∙10-3/60∙10-6 = 0,26∙103 Ом = 260 Ом; СЭ = 1/2π∙30∙260 = 0,0000124 Ф = 20,4 мкФ. Принимаем емкость конденсатора СЭ = 21 мкФ. 13. Емкость разделительного конденсатора Ср1 на входе усилителя С1= 1/2πfн Rвх С1= 1/2π∙30∙769 = 0,0000690 Ф = 69,0 мкФ. (13) Принимаем емкость конденсатора С1 = 70 мкФ. 14. Емкость разделительного конденсатора на выходе усилителя С2 С2 = С1 = 70 мкФ. 15. Коэффициент усиления по напряжению КU = h21ЭRкн/h11Э. (14) Rкн – сопротивление нагрузки усилителя, которое принимается равным сопротивлению параллельного соединения Rк, Rн и Rвых. 1/ Rкн = 1/ Rк + 1/ Rн +1/ Rвых, (15) где Rвых = 1/h22Э; 1/ Rкн = 1/3400 + 1/769 + 60*10-6 = 10,4*10-3 См; Rкн = 956,7 Ом. Коэффициент усиления КU = 30∙956,7/900 = 32. 14 16. Мощность, рассеиваемая на коллекторе РК = UКЭ0 IК0 РК = 5∙10-3 = 0,005 Вт. (16) По условию РКmax = 0.15 Вт. Таким образом, РК < РКmax. Ответы: R1 = 36 кОм; R2 = 12 кОм; RЭ = 2,14 кОм; Rн = 769 Ом; С2 = С1 = 70 мкФ; СЭ = 20,4 мкФ; КU = 32. 15 Заключение Во время выполнения данной курсовой работы, рассчитали усилительный каскад на биполярном транзисторе, с включенным по схеме с общим эмиттером и с температурной стабилизацией за счет отрицательной обратной связи. Применяемые на практике усилители являются достаточно сложными устройствами, которые содержат в себе ряд усилительных каскадов, обеспечивающих не только усиление входного сигнала, но и согласование с источником и потребителем сигнала. 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. Результатом выполнения данной курсовой работы является расчет основных характеристик усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе Наиболее полезно для меня как результат выполнения данной курсовой работы является закрепление знаний, полученных при изучении дисциплины «ЭСАУ», а также получение опыта расчета основных характеристик усилительного каскада. Общие затраты времени на выполнение курсовой работы и оформление пояснительной записки составило почти две недели, т.к. параллельно с этой работой приходилось очень много делать домашних заданий по другим предметам. Данная курсовая работа помогла более полно разобраться в методике расчета усилительных каскадов, которая будет полезна в моей будущей инженерной деятельности. 16 Список литературы 1. http://bourabai.kz/toe/semi3.htm 2. ru.wikipedia.org/wiki/Биполярный_транзистор 3. http://window.edu.ru 4. http://tusimvmtusi.tk 5. http://5fan.ru/wievjob 6. http://radio.cybernet.name/ 7. http://www.findpatent.ru/ 8. http://5fan.ru/ 17
