4.5. Содержание отчета о работе

Отчет должен содержать результаты исследований параметров и характеристик усилителя без обратной связи (ОС) и в случае его охвата цепью ОС.

1. Схема включения усилителя и измерительных приборов.

2. Амплитудные характеристики усилителя (АХ) и его динамические диапазоны.

3. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ).

4. Измеренные значения модулей входного и выходного сопротивлений.

5. По результатам работы сделать выводы о влиянии положительной и отрицательной обратных связей на коэффициент усиления, полосу пропуска- ния, входное и выходное сопротивление усилителя.

4.6. Библиографический список

1. Войшвилло Г. В. Усилительные устройства - М.: Радио и связь, 1983.-264 с.

2. Остапенко Г. С. Усилительные устройства - М.: Радио и связь, 1989. -400 с.

3. Королев Г. В. Электронные устройства автоматики -М.: Высшая школа, 1983. - 255 с.

29

Лабораторная работа № 5 транзисторный усилительный каскад

5.1. Цель работы

Целью настоящей работы является исследование усилительных свойств каскада на биполярном транзисторе, собранного по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

5.2. Краткие теоретические сведения

Биполярный транзистор (в дальнейшем просто транзистор) является активным полупроводниковым (п/п) прибором, обеспечивающим усиление мощности электрических сигналов.

По структуре транзистор представляет собой прибор с тремя чередующимися (рис.5.1) слоями п/п с электропроводностями разных типов.

Две области, условно названные эмиттером и коллектором, располагаются по краям и имеют одинаковую проводимость, а область, расположенная в центре (база), - другую. На границах разделов слоев образуются два p-n - перехода, на свойствах которых основана работа транзистора. В зависимости от расположения слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n структур. Принцип их работы одинаков, различия заключаются в том, что в транзисторе со структурой n-p-n ток создается электронами, а в транзисторе типа p-n-p - “дырками”. Это обстоятельство необходимо учитывать при включении транзисторов в электрическую цепь. Полярности напряжений на их выводах противоположны по знаку.

Рис. 5.1. Структурные разновидности транзисторов и их условные графические обозначения. Выводы транзисторов: Э - эмиттер; Б - база: К - коллектор

30

Рассмотрим принцип работы транзистора. Пусть это будет транзистор структуры p-n-p. Плюс источника питания Е_кэподключим к эмиттеру, а минус - к коллектору (рис.5.2,а).

Рис.5.2. Схемы, поясняющие работу транзистора: а - напряжение на базе отсутствует; б - напряжение на базу подано

В этом случае ток через транзистор не пойдет, так как хотя переход эмиттер - база (П1) и находится под прямым (проводящим) напряжением, но переход база-коллектор (П2) находится под обратным (непроводящим) напряжением. Для создания тока в цепи необходимо приложить между базой и эмиттером дополнительное небольшое (порядка нескольких десятых долей вольта) прямое напряжение с помощью источника Е _эб(рис.5.2,б). В этом случае через переход П1 пойдет электрический ток, и в область базы будут инжектироваться (впрыскиваться) дырки. Поскольку область базы делается достаточно узкой (порядка нескольких микрон) и с невысокой концентрацией основных носителей (электронов) для уменьшения процесса рекомбинации пары электрон-дырка, то основная часть дырок ( 9599 %) захватывается полем коллектора и перебрасывается через переход П2, создавая ток коллектора I _к . Остальная часть дырок образует ток базы I_б= =I_э- I_к. Соотношения между этими токами характеризуются коэффициентом передачи тока эмиттера= I_к/ I_э (0,950,99) и козффициентом передачи тока базы= I_к/ I_б (10100).

Из сказанного следует, что небольшим током базы можно управлять значительным током коллектора. Это свойство говорит о возможности использования транзистора как усилительного элемента.

В зависимости от того, на какой вывод транзистора подается входной сигнал, с какого вывода снимается усиленный сигнал и какой вывод является

31

общим для входной и выходной цепи, существуют три способа (схемы) включения транзистора. Наибольшую популярность получила схема с общим эмиттером (ОЭ), поскольку она дает максимальное усиление сигнала по мощности.

Рис. 5.3. Схема с общим эмиттером (ОЭ)

На рис. 5.3 источники питания входной и выходной цепей Е_бэи Е_кэ, соответственно, задают режим по постоянному току. Предполагается, что у всех источников внутреннее сопротивление равно нулю, как для переменной, так и для постоянной составляющей протекающих через них токов.

Рис. 5.4. Схема транзисторного каскада с общим эмиттером

32

Различают статический и динамический режимы работы транзисторного каскада. Статический режим (режим по постоянному току) определяется источниками Е_бэи Е_кэ. Динамический режим образуется совместным действием источников Е_бэ, Е_кэ и U_вх. Статический режим существует, когда нет входного сигнала U _вх= 0.

На практике питание входной и выходной цепей осуществляется от одного источника Е_к(рис.5.4). С помощью делителя напряжения R1 и R2 на базу транзистора подается необходимое напряжение смещения. Резистор R_кобеспечивает питание коллекторной цепи по постоянному току и преобразует изменение тока коллектора в изменение напряжения на коллекторе, которое и является выходным U_вых. Источником входного сигнала является генератор U_вх . Резистор R_нявляется внешней нагрузкой. Источник сигнала и нагрузка подключены через разделительные конденсаторы С1 и С2. Конденсаторы обеспечивают разделение цепей по постоянной и переменной составляющей тока.

Для транзисторного каскада (схема ОЭ) его усилительные свойства (см.[1]) записываются с использованием параметров малосигнальной эквивалентной схемы активного четырехполюсника (система h-параметров).

Коэффициент усиления по току

K _i = I_вых / I _вх = I _k / I _б    h ₂₁ , (5.1)

Коэффициент усиления по напряжению

K _u= U_вых/ U_вх= I_kR^_н/ I_бR_вхh₂₁ R^_н/ h₁₁ , (5.2)

где R^_н= R_k R_н/ R_k+ R_н, R_вхh ₁₁ ,

Коэффициент усиления по мощности

K _P = P_вых / P _вх = K _u  K _i  h²₂₁  R^_н / h₁₁ , (5.3)

Входное сопротивление

R _вх = U_вх/ I_вх h ₁₁, (5.4)

Выходное сопротивление

R _вых = U_вых/ I_вых R^_н, (5.5)

33

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) рассматриваемого каскада имеет вид, изображенный на рис. 4.3 (кривая1). АЧХ характеризуется нижней частотой среза f_сни верхней частотой среза f_св. Спад усиления на высоких частотах обусловлен инерционными свойствами транзистора, а также влиянием емкостей переходов транзистора. Спад усиления на низких частотах обусловлен влиянием разделительных конденсаторов (С1 и С2 на рис. 5.4), так как сопротивление конденсатора увеличивается с уменьшением частоты.

Следует отметить, что расчет режима усиления с использованием h- параметров корректен лишь при малых амплитудах колебаний и выполняется в линейном приближении. Более точен графоаналитический метод, который учитывает нелинейные свойства транзистора. Рассмотрим этот метод. Для этого воспользуемся входными (рис.5.5,а) и выходными (рис.5.5,б) вольт-амперными характеристиками транзистора. Сначала рассмотрим режим холостого хода, т.е. режим при отключенной внешней нагрузке R_н. Для выходной цепи транзистора справедливо уравнение

E_к= U _кэ+ I_кR_к , (5.6)

где Е_к - напряжение источника питания; U_кэ- напряжение между коллектором и эмиттером; I_к- ток коллектора.

На выходных характеристиках уравнению (5.6) будет соответствовать прямая АВ, которая называется линией нагрузки по постоянному току. Построение линии нагрузки удобно осуществить по двум точкам. Полагая U_кэ= 0, из (5.6) получим I_к= E_к/ R_к, а при I_к= 0 будем иметь U_кэ= E_к. Угол наклона этой прямой к оси абсцисс F= arctg (R_к). Ток I_ки соответственно U_кэопределяется точкой пересечения вольт-амперной характеристики и линии нагрузки. Эта точка называется рабочей точкой. Положение рабочей точки в статическом режиме называется точкой покоя П. Соответствующие этой точке координаты называются: ток покоя - I_кпи напряжение покоя - U_кэп.

При подаче на базу переменного напряжения рабочая точка будет перемещаться по линии нагрузки. Пока входное напряжение U_{m вх}достаточно мало, форма выходного напряжения будет близка к форме входного (кривая 1 рис.5.5,б). При увеличении входного напряжения с некоторого момента появятся значительные искажения в виде отсечки “верхушек” синусоиды выходного напряжения (кривая 2 рис.5.5,б). Если пренебречь небольшим падением напряжения I_кэоR_кна коллекторном сопротивлении от протекания обратного тока коллектора I_кэо, максимальная амплитуда положительной полуволны будет U_{m вых max}+ = E_к- U_кэп. Если пренебречь небольшим напряжением насыщения U_кэнтранзистора, максимальная амплитуда отрицательной полуволны будет U_{m вых max}^-= U_кэп.

34

а б

Рис.5.5. Графоаналитический расчет режима усиления транзисторного каскада (схема ОЭ) : а - входная характеристика, б - выходная характеристика

В зависимости от положения точки покоя П ограничение может быть как симметричным (относительно U_кэп), так и несимметричным. Очевидно, что симметричное (U_{m вых max}+ = U_{m вых max}^-) ограничение будет наблюдаться при выборе рабочей точки на середине линии нагрузки E _кэп = Е _к/ 2.

При подключении внешней нагрузки R_нрезультирующее сопротивление нагрузки транзистора будет сопротивление

R^`_н= R_к R _н/ (R _к+ R _н) , (5.7)

Этому сопротивлению соответствует линия проведенная под углом F^{`</sup>= arctg (R<sup>`}_к). Такую линию называют линией нагрузки по переменному току (пунктирная линия на рис.5.5,б). Поскольку при мгновенном значении входного напряжения равным нулю положение рабочей точки для нагруженного и ненагруженного режимов должны совпадать, то линию нагрузки по переменному току следует провести через точку покоя П.

Для нагруженного режима максимальная амплитуда положительной полуволны выходного напряжения U_{m вых max}+ будет определяться точкой В пересечения линии нагрузки по переменному току с осью абсцисс. Из

треугольника ДПВ получаем

35

U_{m вых max}+ = R^`_нI _кп , (5.8)

Максимальная амплитуда отрицательной полуволны так же как и в ненагруженном режиме будет

U_{m вых max}^-= U _кэп , (5.9)

Если от каскада требуется получить максимальную амплитуду неискаженного сигнала в нагруженном режиме, то рабочую точку покоя нужно выбрать таким образом, чтобы выполнялось условие

U_{m вых max}+ = U_{m вых max}^-, (5.10)

Определим положение рабочей точки для выполнения условия (5.10). Из выражений (5.6) - (5.10) можно получить

U _кэп= E_к- I_кпR_к ,

R^`_нI _кп= E_к- I_кпR_к,

откуда находим

U_кэп= Е_к R ^{`</sup><sub>н</sub>/ (R <sub>к</sub>+ R<sup>`}_н) , (5.11)