Как найти сопротивление базы в транзисторе

Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике. Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.

Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.

Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:

Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается H_fe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.

Использование NPN транзистора как коммутатора

На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.

1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке V_c. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.

2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (V_ce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно V_ce= V_c – 0 = V_c. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда, сопротивления нагрузки R_L неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:

Из неё следует что:

4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз. Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.

5. Расчёт необходимого значения R_b: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление R_b может быть рассчитано по следующей формуле:

где V₁ является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)

Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V₁ = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение R_b известно, транзистор “настроен” на работу в качестве переключателя, что также называется “режим насыщения и отсечки “, где “насыщение” – когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а “отсечение” – когда закрыт и ток не проводит.

Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.

Расчет нагрузки

Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:

H_FE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения V_CEsat. Но V_CEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения. Т.е.  наименьший H_FE, крупнейший V_CEsat и V_CEsat.

Типичное применение транзисторного ключа

1. Управление реле

В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.

2. Подключение транзистора с открытым коллектором:

Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.B

3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):

Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ  построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск ошибок в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны. Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:

1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2. Измерение V_CE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные V_CE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.

3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект. В обоих случаях ток базы равен 0.

Оригинал статьи

Теги:

Параметры и эквивалентная схема биполярного транзистора.

Схемы ОБ, ОЭ, ОК. Свойства, характеристики усилительных каскадов
в зависимости от схемы включения.

Одной из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, является усиление сигнала.
Усилительным устройством является любое устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала, а в качестве активных
элементов чаще всего применяются полупроводниковые элементы – транзисторы.

Занимаясь проектированием электронных устройств, желательно выбирать транзисторы с такими расчётом, чтобы частотные характеристики
позволяли им работать на частотах, не превышающих значений (0,2…0,3), а лучше 0,1 от граничной (единичной) частоты усиления fт.

При выполнении этого простого правила, появляется возможность воспользоваться упрощённой моделью, а другими словами – малосигнальной
эквивалентной схемой транзистора, изображённой на Рис.1.
Схема приведена для npn полупроводников, для транзисторов pnp структуры – всё остаётся без изменений, меняется лишь направление
источника тока.

Параметры элементов эквивалентной схемы можно определить на основе справочных данных на транзистор либо, при их отсутствии, некоторого
набора незамысловатых формул.

Рис.1

Итак:

r_б = τ_ос / C_к
– объёмное сопротивление базы, где τ_ос –
постоянная времени внутренней обратной связи транзистора, а
C_к – ёмкость коллектор-база транзистора.
Причём, если параметр Ск фигурирует практически в любом справочнике, то “постоянная времени цепи обратной связи
на высокой частоте” указывается отнюдь не везде и не для каждого транзистора.
Однако, тут важно понимать то, что величина объёмного сопротивления базы БТ определяется чисто геометрическими особенностями конструкции
транзистора и находится в обратной пропорции к объёму переходов (а соответственно и мощности) полупроводника. А покопавшись по справочникам
и систематизировав поученную информацию, появляется возможность сформулировать формулу, позволяющую приблизительно оценить
величину объёмного сопротивления базы любого транзистора:
r_б(Ом) ≈ 10 / Р_макс(Вт),
где Р_макс – максимальная рассеиваемая мощность транзистора.

Едем дальше:
r_э(Ом) = 25,6 / I_э(мА) – активное сопротивление
эмиттера , где
I_э – ток эмиттера.

r_к = ∆U_кэ / ∆I_к (при I_б = const)
– дифференциальное сопротивление обратно
смещённого коллекторного перехода.
Наличие данного сопротивления не позволяет транзистору являться идеальным источником тока и обуславливает
наличие пресловутого эффекта Эрли – эффекта зависимости тока коллектора (при постоянном токе базы) от напряжения Uкэ.
Величина сопротивления коллекторного перехода гк обратна пропорциональна току эмиттера, определяется экспериментально и иногда приводится
производителями полупроводников в виде статической характеристики зависимости тока коллектора Iк от изменения напряжения Uкэ.

На Рис.2 приведён пример такой зависимости для npn транзистора BC546.

Что мы видим? При токе базы, равном 50мкА, а соответственно при токе коллектора Iк = h21э х Iб ≈ 260 х 50 = 13мА, график кривой практически
не имеет наклона, что даёт нам возможность считать сопротивление rк очень большим (не менее десятка мегаом).

При Iб = 100мкА (Iэ ≈ 26мА), rк = ∆Uкэ/∆Iк ≈ (14В – 3В)/(30мА-26мА) = 2,75мОМ.

Ну и т.д. и т.п. Чем больше ток транзистора, тем ниже значение сопротивления rк.

Рис.2

На эквивалентной схеме у нас фигурирует два конденсатора:

С_к – ёмкость обратно смещённого коллекторного перехода и
С_э – диффузионная ёмкость эмиттера являются справочными характеристиками,
повсеместно фигурируют в Datasheet-ах производителей и являются важной неотъемлемой частью, определяющей частотные свойства
полупроводников.

Далее на повестке – источник тока, который описан в эквивалентной схеме величиной
I_к = α x I_э , где
α = β / (1 + β) .

А для того, чтобы понять чему равен ток эмиттера Iэ, и как он зависит от входного сигнала, необходимо рассмотреть различные
схемы включения транзистора. Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема
с общим коллектором (ОК). Все эти схемы показаны на Рис.3.

Рис.3

Для схемы с общей базой (Рис.3 слева) входным сигналом является напряжение,
поданное между эмиттером и базой транзистора,
поэтому:
R_вх ≈ r_э ;
I_э = U_вх / (R_ист + r_э), где
Rист – выходное сопротивление источника сигнала ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) ;
R_вых = (r_к + r_э) ll R_к ;
K_u = α x R_к / (r_э + R_ист) ≈
R_к / (r_э + R_ист) ;
K_i = β / (1 + β) .
Схема с ОБ применяется в основном в высокочастотных приложениях, так как по своим частотным свойствам она имеет преимущества перед
схемой ОЭ.
Недостатками данной схемы являются отсутствие усиления по току и существенно меньшее входное сопротивление, чем в схеме ОЭ.

Для схемы с общим эмиттером (Рис.3 в центре):
R_вх = r_э x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = I_б + I_к = I_б x (1 + β) ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β
;
R_вых = R_к ll [r_э + r_к / (1 + β)]
;
K_u = – β x R_к / [(β + 1) x r_э] ≈ R_к / r_э
;

K_i = β .

Каскады с общим эмиттером (ОЭ) являются наиболее распространёнными, т.к. обеспечивают усиление входного сигнала как по напряжению,
так и по току. При этом они имеют значительно большее значение входного сопротивления, чем схемы с ОБ.
Схема ОЭ инвертирует сигнал, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.


Недостатками данной схемы являются худшие по сравнению со схемой ОБ частотные свойства. Объясняется это явление тем, что в схеме с
ОЭ ёмкость Ск образует частотозависимую обратную связь с выхода на вход так, что возникает интегрирующая цепь, ограничивающая усиление
на высоких частотах.
Внутреннее сопротивление rк в схеме с ОЭ также является резистором обратной связи, ответвляющим часть сигнала с
выхода на вход. Это, в свою очередь, является причиной снижения выходного сопротивления усилителя по сравнению с ОБ.

И, наконец, схема с общим коллектором (Рис.3 справа), она же эмиттерный
повторитель:
R_вх = (r_э + R_э) x (1 + β) ;
I_б = U_вх / R_вх ;
I_э = (β + 1) x I_б ;
I_к = α x I_э = I_э x β / (1 + β) = I_б x β
;
R_вых = r_э + R_ист / (1 + β) ;
K_u = R_э / [R_э + r_э + R_ист / (1 + β)]
;

K_i = β + 1 .

Как уже было сказано – данные формулы расчёта малосигнальных схем являются приблизительными, не учитывают частотных
свойств транзисторов и могут обеспечить приемлемую точность вычислений только в случае выбора полупроводников с большим
запасом по максимальной частоте.
К тому же практически все параметры, представленные в справочных источниках, приводятся для определённых (тестовых) начальных токов
транзисторов и могут иметь значительные расхождения при переводе полупроводника в другой, сильно отличающийся от тестового, режим.

А на следующих страницах рассмотрим практические схемы транзисторных каскадов ОБ, ОЭ и ОК, а также приведём методики по расчёту
сопутствующих им элементов.

1. Расчет входного сопротивления транзистора со стороны базы

Входное
сопротивление со стороны базы

соответствует входному сопротивлению
транзистора без
учета шунтирующего действия
резистивного делителя

в
цепи базы:

.

1. Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора

Резистивный
делитель R1,
R2,
формирует потенциал базы

относительно земли. Уровень данного
потенциала не должен зависеть от тока
эмиттера

,
протекающего по резистору
.
Последний является датчиком
температуры.
Если ток
делителя

значительно превышает
ток базы

,
то потенциал

определяется напряжением питания

и соотношением резисторов R1,
R2.
Поскольку коэффициент

,
а ток

,
то потенциал

базы не зависит от тока

при условии:

.

Потенциал
базы

определяется по второму закону Кирхгофа:

,

где

_d

статический
потенциал
эмиттерного рn
– перехода.

Резисторы
R1,
R2
рассчитываются по закону Ома:

;

.

Определяются
мощности

,
рассеиваемые на сопротивлениях R1,
R2:

;

.

Примечание.
Для германиевых транзисторов

;
для кремневых транзисторов

[9].

В среде
«CIRCUITMAKER» принимается

.

1. Расчет эквивалентного сопротивления базового делителя

При
усилении сигналов переменного
тока с частотой

шина источника питания

заземлена
через
внутренний конденсатор фильтра

(на рисунке 1 не показан), т.к. емкостное
сопротивление

.
Следовательно,
по переменному току
резисторы R1,
R2
соединены параллельно.
Эквивалентное сопротивление делителя

.

1. Расчет активного входного сопротивления усилителя

На
низких
частотах,
несоизмеримых с быстродействием
выбранного транзистора, входное
сопротивление усилителя

является чисто активным
и соответствует параллельному
соединению сопротивлений

и

:

.

Примечание.
В области высоких частот, соизмеримых
с быстродействием
выбранного транзистора, начинают влиять
межэлектродные
емкости:
входное сопротивление (импеданс)
транзистора является комплексной
величиной

1. Расчет
   емкости разделительного конденсатора
   на входе усилителя

Разделительный
конденсатор

отделяет постоянный потенциал базы

от источника информационного сигнала,
подавляет низкие частоты и пропускает
высокие частоты. Величина емкости

рассчитывается на нижней частоте

информационного
сигнала по формуле:

.

Для
уменьшения ослабления входного сигнала
на низких частотах расчетное значение
емкости

увеличивается в 10-100 раз.

1. Расчет
   коэффициента усиления

Определяется
емкость шунтирующего конденсатора

в цепи эмиттера для заданного значения
модуля коэффициента усиления

.

Определяется
модуль коэффициента усиления

для расчетного значения емкости

.

1. Расчет
   амплитуды входного напряжения и тока

Номинальная
амплитуда входного напряжения

Амплитуда
входного тока

.

1. Расчет
   коэффициента усиления по току и по
   мощности

Коэффициент
усиления по току

.

Коэффициент
усиления по мощности

.

1. Расчет
   номинальной мощности входного сигнала

Номинальная
входная мощность

определяется из тождества:

.

2.2
Расчет усилителя с общим коллектором

Исходными
данными для расчета усилителя с общим
коллектором (Рисунок 2) являются следующие
параметры:

• активное
  сопротивление нагрузки

  ;

• активная
  мощность нагрузки

  ;

• напряжение
  питания

  ;

• коэффициент
  передачи тока базы

  транзистора;

• рабочая
  частота (частотный диапазон) информационного
  сигнала

  .

Методика
расчета

1. Расчет
   амплитуды выходного напряжения и тока
   нагрузки

Амплитуда
выходного напряжения

и ток нагрузки усилителя

определяется
в
соответствии с разделом 2.1, п.1.

1. Выбор
   транзисторов

Выбор
транзисторов осуществляется в соответствии
с разделом 2.1, п.2.

1. Расчет
   емкости разделительного конденсатора
   на выходе усилителя

Расчет
емкости разделительного конденсатора
на выходе осуществляется в соответствии
с разделом 2.1, п.3:

.

1. Расчет
   резистора в цепи эмиттера и его мощности

Для
исключения искажений
информационного
сигнала потенциал эмиттера

и ток эмиттера

в статическом режиме (при отсутствии
входного сигнала) выбираются из условия:

,

.

Резистор
в цепи эмиттера

.
Мощность

,
рассеиваемая на сопротивлении R3:

.

1. Расчет
   эквивалентного сопротивления эмиттерной
   цепи

При
достаточно большой
емкости разделительного конденсатора
С3 эквивалентное сопротивление эмиттерной
цепи

соответствует параллельному
соединению сопротивлений

и

:
.

1. Расчет
   входного сопротивления транзистора

Для
схемы с общим коллектором входное
сопротивление транзистора

определяется без
учета шунтирующего действия
резистивного делителя

со стороны базы:

.

1. Расчет
   тока базы в статическом режиме

При
известном значении параметров

и

транзистора статический ток базы

.

1. Расчет
   резистивного делителя в цепи базы
   транзистора

Резистивный
делитель R1,
R2,
формирует потенциал базы

относительно земли. Элементы делителя
выбираются таким образом, чтобы
минимизировать шунтирование
входного сопротивления

.
По первому закону Кирхгофа в базовом
узле
ток

растекается: по резистору R2
течет ток

,
а по резистору R1
– ток

.
Для уменьшения шунтирующего действия
делителя R1,
R2
величина тока

выбирается из условия:

.

Расчет
сопротивлений делителя R1,
R2:

• расчет потенциала
  базы в статическом режиме:
  
  .

• расчет
  сопротивления R2
  делителя:
  .

• расчет
  сопротивления R1
  делителя:
  
  .

• расчет
  мощностей
  

  резисторов делителя:
  
  ,
  
  .

Примечание.
Для германиевых транзисторов

;
для кремневых транзисторов

.
В среде «CIRCUITMAKER» принимается

.

1. Расчет
   эквивалентного сопротивления делителя
   в цепи базы

При
достаточно большой емкости фильтра

эквивалентное сопротивление

базового делителя на
переменном токе
соответствует параллельному соединению
его элементов:

.

1. Расчет
   активного входного
   сопротивления усилителя

На
низких
частотах,
несоизмеримых с быстродействием
выбранного транзистора, входное
сопротивление усилителя

является чисто активным
и соответствует параллельному
соединению сопротивлений

и

:

.

1. Расчет
   емкости разделительного конденсатора
   на входе усилителя

Расчет
емкости разделительного конденсатора
на входе осуществляется в соответствии
с разделом 2.1, п.12:

.

1. Расчет
   коэффициента усиления по напряжению

Модуль
коэффициента усиления по напряжению

зависит от коэффициента

транзистора, а также от соотношения
эквивалентных сопротивлений участка
коллектор-эмиттер

и
цепи эмиттера

:
.

Входной
и выходной сигналы ЭП формируются
относительно коллектора,
имеющего на переменном
токе нулевой
потенциал. Следовательно, эквивалентное
сопротивление эмиттерной цепи

подключено параллельно динамическому
сопротивлению участка коллектор –
эмиттер транзистора

:

;

.

1. Расчет
   амплитуды входного напряжения и тока

Номинальная
амплитуда входного напряжения

Амплитуда
входного тока

.

1. Расчет
   коэффициента усиления по току и по
   мощности

Коэффициент
усиления по току

.

Коэффициент
усиления по мощности

.

1. Расчет
   номинальной мощности входного сигнала

Номинальная
мощность информационного сигнала на
входе усилителя

определяется
из тождества:

.

1. Расчет
   транзисторного ключа

Исходными
данными для расчета транзисторного
ключа (Рисунок 3, 4) являются следующие
параметры:

• напряжение
  питания

  ;

• абсолютная
  температура
  окружающей среды

  ;

• коэффициент
  передачи тока базы транзистора

  ;

• ток
  эмиттера транзистора

  ;

• активное
  сопротивление коллекторной нагрузки
  
  ;

• остаточное
  напряжение на коллекторе транзистора
  

Методика
расчета

1. Выбор транзистора:
   (см. раздел 2.1, п. 2) .

2. Расчет тока коллектора
   (тока нагрузки):
   
   .

3. Расчет тока эмиттера:
   
   .

4. Расчет тока базы
   (тока управления):
   
   ..

5. Расчет температурного
   потенциала:
   
   .

6. Расчет активного
   сопротивления эмиттерного вывода:
   
   .

7. Расчет ограничивающего
   резистора в цепи базы:
   
   .

8. Расчет мощности
   ограничивающего резистора в цепи базы:
   
   .

9. Расчет входного
   сопротивления транзисторного ключа:
   
   .

Примечание. Уровень входного
напряжения

должен обеспечить насыщение транзистора:

,
где

максимальное
напряжение между базой и эмиттером
транзистора. У биполярных транзисторов:

– германий,

– кремний,

[9, 11].

В среде «CIRCUITMAKER» принимается

.
При расчете ТК обычно выбирают напряжение

.

2.4
Расчет инвертирующего усилителя

Исходными
данными для расчета инвертирующего
операционного усилителя (Рисунок 8, а)
являются следующие параметры:

• активное
  сопротивление нагрузки усилителя

  ;

• амплитуда
  напряжения на нагрузке усилителя

• активное
  входное сопротивление усилителя
  
  ;

• коэффициент
  усиления по напряжению
  
  .

Методика
расчета

1. Расчет
   амплитуды тока нагрузки

Амплитуда
тока нагрузки

.

1. Расчет
   сопротивления отрицательной обратной
   связи

Входное
сопротивление инвертирующего усилителя

.
При заданных значениях параметров

и

сопротивление отрицательной обратной
связи

определяется из выражения для модуля
коэффициента усиления по напряжению

,

.

1. Расчет
   амплитуды входного напряжения

Амплитуда
входного сигнала

.

1. Расчет
   амплитуды входного тока

Амплитуда
входного тока

.

1. Расчет
   коэффициента усиления по току

Модуль
коэффициента усиления по току

.

1. Расчет
   коэффициента усиления по мощности

Модуль
коэффициента усиления по мощности

.

2.5
расчет неинвертирующего усилителя

Исходными
данными для расчета неинвертирующего
операционного усилителя (Рисунок 8, б)
являются следующие параметры:

• активное
  сопротивление нагрузки усилителя

  ;

• амплитуда
  напряжения на нагрузке усилителя

• активное
  входное сопротивление усилителя
  
  ;

• коэффициент
  усиления по напряжению
  
  .

Методика
расчета

Если
заданный коэффициент усиления по
напряжению

,
то при фиксированном значении параметра

сопротивление обратной связи

определяется из выражений:

,

.

Если
параметр

,
то неинвертирующий ОУ вырождается в
повторитель
напряжения
(ПН): сопротивление R1
в схеме отсутствует

,
сопротивление

– короткое замыкание между выходом ОУ
и его инвертирующим входом (Рисунок 8,
в).

Входное
сопротивление ПН соответствует
сопротивлению утечки интегральной
микросхемы ОУ по неинвертирующему входу

[1, 4, 6, 11].

Примечание.
Для компенсации
напряжения смещения
на выходе ПН при отсутствии входного
сигнала между выходом и инвертирующим
входом ОУ включают резистор
обратной связи

,
где

внутреннее сопротивление источника
информационного сигнала.

Дальнейший
расчет неинвертирующего ОУ осуществляется
в соответствии с методикой, изложенной
в разделе 2.4, п.п. 1, 3…6.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

1. Радиоэлектроника
2. Схемотехника
3. Основы электроники и схемотехники
4. Том 3 – Полупроводниковые приборы

1. Книги / руководства / серии статей
2. Основы электроники и схемотехники. Том 3. Полупроводниковые приборы

Добавлено 26 января 2018 в 06:04

Входное сопротивление усилителя значительно варьируется в зависимости от конфигурации схемы, как показано на рисунке ниже. Оно также зависит от смещения. Здесь не учитывается, что входной импеданс является комплексной величиной и зависит от частоты. Для схем с общим эмиттером и общим коллектором он равен сопротивлению базы, умноженному на коэффициент β. Сопротивление базы по отношению к транзистору может быть как внутренним, так и внешним. Для схемы с общим коллектором:

(R_{вх} = beta R_Э)

Для схемы с общим эмиттером немного сложнее. Нам необходимо знать внутреннее сопротивление эмиттера r_Э. Оно вычисляется по формуле:

(r_Э = KT/I_Э m)

где

• K=1.38×10-23 Дж·К−1 – постоянная Больцмана;
• T – температура в Кельвинах, берем ≅300;
• IЭ – ток эмиттера;
• m – для кремния изменяется от 1 до 2.

(r_Э = 0,026 В/I_Э = 26 мВ/I_Э)

Таким образом, R_вх для схемы с общим эмиттером равно:

(R_{вх} = beta r_{Э})

Например, входное сопротивление усилителя на транзисторе с β = 100, на схеме с общим эмиттером и смещением 1 мА равно:

(r_Э = 26 мВ/ 1 мА = 26 ;Ом)

(R_{вх} = beta r_Э = 100 cdot 26 = 2600 ;Ом)

Для более точного определения R_вх для схемы с общим коллектором необходимо учитывать R_Э:

(R_{вх} = beta (R_Э + r_Э))

Формула выше также применима и для схемы с общим эмиттером с резистором эмиттера.

Входной импеданс схемы с общей базой равен R_вх = r_Э.

Высокий входной импеданс схемы с общим коллектором согласовывается с источниками с высоким выходным сопротивлением. Одним из таких источников с высоким импедансом является керамический микрофон. Схема с общей базой иногда используется в RF (радиочастотных) схемах для согласования с источником с низким импедансом, например, с коаксиальным кабелем 50 Ом. С источниками со средним импедансом хорошо согласуется схема с общим эмиттером. Примером может служить динамический микрофон.

Выходные сопротивления трех основных типов схем приведены на рисунке ниже. Средний выходной импеданс схемы с общим эмиттером сделал ее самой популярной в использовании. Низкое выходное сопротивление схемы с общим коллектором хорошо подходит для согласования, например, для бестрансформаторного соединения с 4-омным динамиком.

Подведем итоги

Смотрите рисунок выше.

Теги

Биполярный транзисторВходной импедансВыходной импедансКаскад с общей базойКаскад с общим коллекторомКаскад с общим эмиттеромКаскодный усилительКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеЭлектроника