- •Содержание
- •Анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах графическим методом
- •1. Цель работы
- •2. Теоретическое введение
- •3. Задание к лабораторной работе
- •4. Содержание отчёта
- •5. Контрольные вопросы
- •Схемы смещения в усилителях на биполярных транзисторах. Стабилизация режима
- •1. Цель работы
- •2. Теоретическое введение
- •Методы стабилизации рабочей точки
- •Схемы смещения и стабилизации режима работы транзистора
- •3. Описание установки
- •4. Задание к лабораторной работе
- •5. Контрольные вопросы
- •Исследование свойств усилительных каскадов на биполярных транзисторах
- •1. Цель работы
- •2. Теоретическое введение
- •Анализ в области средних частот
- •Частотные характеристики
- •3. Описание установки
- •4. Задание к лабораторной работе
- •5. Содержание отчёта
- •6. Контрольные вопросы
- •2.2. Классификация стабилизаторов напряжения
- •2.3. Стабилизаторы параллельного типа
- •2.3.1. Диодный стабилизатор
- •2.3.2. Транзисторный стабилизатор
- •2.4. Последовательные стабилизаторы напряжения
- •3. Описание установки
- •4. Задание к лабораторной работе
- •5. Содержание отчёта
- •6. Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Твердотельная электроника лабораторный практикум Учебно-методическое пособие
- •630092, Г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
2. Теоретическое введение
Усилительные каскады классифицируются в соответствии с тем, какой из электродов активного элемента является общим для входной и выходной цепи. В транзисторной электронике используются схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.
Рис. 3.1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером
В данной работе рассматривается простейший усилительный каскад с общим эмиттером, содержащий всего один усилительный элемент (см. рис. 3.1), и определяются его основные параметры: – коэффициент усиления по напряжению, – коэффициент усиления по мощности, и – входное и выходное сопротивление соответственно. Эти параметры характеризуют усилительные свойства каскада, его взаимодействие с нагрузкой и источником входного сигнала.
Для определения упомянутых параметров необходимо знать изменения токов и напряжений, возникающие при действии входного сигнала. В последующем изложении мы будем пренебрегать нелинейными искажениями, считая, что переменные составляющие токов и напряжений достаточно малы. Это позволяет описывать зависимости переменных составляющих от входного сигнала с помощью линейных функций.
Рассмотрим наиболее распространенную схему усилительного каскада с общим эмиттером, показанную на рис. 3.1. В этой схеме резисторы , и задают начальное смещение перехода эмиттер-база транзистора; является нагрузкой каскада по постоянному току, а параллельное соединение и – нагрузкой по переменному току. Цепочки и – образуют фильтры верхних частот и не пропускают низкочастотные составляющие сигнала ( – входное сопротивление каскада по переменному току).
На рис. 3.2 показаны эпюры токов и напряжений в установившемся режиме (закончились переходные процессы) для синусоидального входного сигнала . В левой части показаны постоянные составляющие токов и напряжений, которые устанавливаются до воздействия сигнала.
При поступлении положительной полуволны входного сигнала базовый ток увеличивается, вызывая возрастание тока коллектора. При этом увеличивается падение напряжения на сопротивлении и потенциал коллектора уменьшается. Следовательно, в этой схеме наряду с усилением происходит сдвиг фазы синусоидального напряжения на 180°, т.е. меняется полярность выходного напряжения по сравнению с полярностью входного.
Рис. 3.2. Эпюры токов и напряжений в установившемся режиме
Анализ в области средних частот
Анализ усилителя проведём обобщённым матричным методом. Пользуясь этим методом, из непосредственного рассмотрения схемы можно получить её матрично-векторные параметры, по которым определяются искомые токи и напряжения или находятся аналитические выражения для параметров схемы.
Для определения переменных составляющих токов и напряжений или таких параметров усилителя, как , , и с помощью линейных методов анализа необходимо предварительно преобразовать принципиальную схему каскада, показанную на рис. 3.1. При преобразовании схемы учитываются как конкретные условия работы усилителя, так и цель проведения анализа. Нередко в принципиальную схему вводятся элементы, которые учитывают дополнительные связи (паразитные емкостные или индуктивные связи между элементами и т.п.) или побочные явления в электронных цепях (тепловые шумы, изменения параметров при изменении внешних воздействий и т.п.).
Проведём анализ усилителя для средних частот, пренебрегая всеми паразитными явлениями и инерционностью транзистора, а также полагая внутренние сопротивления источников постоянного напряжения равными нулю, а проводимости ёмкостей и на средних частотах достаточно большими. Эти условия позволяют представить усилитель в виде идеального устройства, в котором полностью исключены нелинейные искажения.
Для переменных составляющих токов и напряжений преобразованная схема приведена на рис. 3.3, где .
Рис. 3.3. Эквивалентная схема усилительного
каскада с общим эмиттером для средних частот
Анализ электронной схемы методом контурных токов сводится к следующим операциям:
1. Выбираются направления контурных токов и контурам присваиваются номера (рис. 3.3).
2. Записывается матрица схемы без учёта многополюсных элементов (транзистора), а также сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Для схемы рис. 3.3 матрица схемы имеет вид
. (3.1)
3. Поочерёдно рассматриваются многополюсные элементы (электронные лампы, транзисторы, индуктивно связанные группы двухполюсников) и соответствующие элементы матриц много-полюсников, вписываются в матрицу схемы. (Если одна из сторон многополюсника не связана ни с одним контуром схемы, то её обозначают через «0», и элементы нулевой строки и нулевого столбца матрицы многополюсника не вписываются в матрицу схемы). Для нашего случая, если известна матрица параметров транзистора
, (3.2)
полученная из рассмотрения эквивалентной Т-схемы транзистора, то, обозначив строки и столбцы этой матрицы номерами, соответствующими подсоединению транзистора в схеме рис. 3.3 можно получить полную матрицу схемы:
, (3.3)
дополнив ранее записанную матрицу (3.1) элементами матрицы (3.2).
4. Устанавливаются номера входных и выходных контуров схемы. Для нашего случая это соответственно контура 1 и 4.
5. Записываются выражения для искомых параметров. В случае схемы рис. 3.3 выражения для , , имеют вид
, , ,
где и – определитель и алгебраические дополнения матрицы (3.3).
Раскрыв определитель и соответствующие алгебраические дополнения в случае, когда , получим
,
, (3.4)
(при ), (3.5)
, (3.6)
. (3.7)
Эти выражения позволяют оценить параметры усилительного каскада и проследить их зависимость от параметров транзистора и номиналов внешних элементов. Например, из (3.7) следует, что существует оптимальное сопротивление нагрузки , при котором коэффициент усиления мощности достигает максимума.
При определении коэффициента усиления каскада по напряжению (3.6) не учитывалось внутреннее сопротивление источника сигнала и определяется как отношение падения напряжения на к напряжению на входе усилителя (т.е. между точками 1 и 1´ рис. 3.3). Однако будет равно ЭДС генератора сигнала лишь в случае, когда или . Для реальных схем и источников сигнала эти условия не выполняются и напряжение сигнала подаётся на вход усилителя через делитель, образованный и входным сопротивлением усилителя .
Если определить сквозной коэффициент усиления схемы как отношение выходного напряжения усилителя к напряжению генератора сигнала, то
. (3.8)
Это выражение позволяет проследить и влияние внутреннего сопротивления генератора сигнала на коэффициент усиления напряжения.
Заметим, что, анализируя зависимости параметров схемы от номиналов ее элементов, необходимо оценивать (и учитывать) и изменение параметров транзистора, так как они зависят от режима работы усилителя.