Н.А. Резниченко Исследование полупроводниковых усилителей

Министерство образования Российской Федерации Государственное учреждение

Кузбасский государственный технический университет Кафедра общей электротехники

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине "Электротехника и электроника"

для студентов направления подготовки 551800 "Технологические машины и оборудование"

специальности 170100 "Горные машины и оборудование"

Составитель Н.А. Резниченко

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 3 от 6.11.01

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией cпециальности 170100 Протокол № 5 от 2.12.01

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2002

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа работы усилителей на биполярных и полевых транзисторах, включенных по различным схемам, исследование их характеристик.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В современной технике при решении многих инженерных задач возникает необходимость в усилении слабых электрических сигналов (напряжения, тока, мощности), что осуществляется устройствами, называемыми электронными усилителями, за счет источника электрической энергии. Исследуемые в данной работе транзисторные усилители являются основными видами усилителей как на дискретных элементах, так и в интегральных микросхемах.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Одним из наиболее распространенных усилителей на биполярных транзисторах является усилитель с общим эмиттером (ОЭ). В этом усилителе (рис.1) эмиттер является общим электродом для входной (база-эмиттер) и выходной (коллектор-эмиттер) цепей. Усиленное выходное напряжение может быть снято как с резистора Rк, так и с транзистора, поскольку переменные составляющие этих напряжений равны (но противофазны). Однако на практике выходное напряжение удобнее снимать с транзистора, так как в усилителях с ОЭ эмиттер заземляется и выходное напряжение снимается между заземленной точкой корпуса(землей) и коллектором транзистора. В этом случае вход и выход усилителя имеют общую точку «земля». Если выходное напряжение снимать с резистора Rк, то такой общей точки не будет, что вызывает большие неудобства, поскольку анализ работы и измерения в усилителях ведут относительно “земли”.

Анализ работы усилителя удобно проводить с помощью вольтамперных характеристик транзистора (рис.2):

2

входных Iб = f(Uб) (на рис.2,б оси координат повернуты на 90°)

при Uк=const;

выходных Iк = f(Uк) при Iб = const (рис.2,а); переходной Iк = f(Iб) (рис.2,в).

Рис.1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

Для коллекторной цепи усилителя (см. рис.1) в соответствии со вторым законом Кирхгофа:

Графическое решение уравнения (1) показано на рис.2,а. Прямая АВ, называемая линией нагрузки, построена по двум точкам, соответствующим режиму холостого хода (Iк = 0, Uк=Eк – координаты точки В) и короткого замыкания (Uк= 0, Iк = Eк/Rк – координаты точки А). Точки пересечения линии нагрузки АВ с выходными характеристиками

3

транзистора определяют ток Iк и напряжение Uк при любом заданном значении тока базы Iб. Исходя из требуемого усиления входных сигналов и обеспечения достаточно протяженного линейного участка аб переходной характеристики (рис.2,в) сопротивление резистора Rк должно составлять 0,2 - 0,5 кОм для транзисторов малой мощности и около 100 Ом для транзисторов средней мощности.

Рис.2. Графический расчет усилительного каскада с ОЭ: выходные (а), входные (б) и переходная (в) характеристики

Переходная (передаточная) характеристика усилителя (см. рис.2,в) построена по точкам пересечения линии нагрузки АВ с выход-

4

ными характеристиками транзистора и является нелинейной, на которой можно выделить линейный участок аб.

Анализ работы усилителя начинают с режима покоя (uвх = 0). Резистор RД1, включенный в цепь базы (см. рис.1), обеспечивает требуемый режим покоя, который на характеристиках рис.2 определяется точкой О, называемой рабочей точкой. Для усиления входных сигналов с минимальными линейными искажениями рабочую точку О выбирают на середине линейного участка аб переходной характеристики (см. рис.2,в). Этому режиму соответствуют определенные значения токов

Iб0 , Iк0 и напряжений Uб0 , Uк0.

На входе усилителя включается конденсатор (на рис.1 не показан) для исключения постоянной составляющей тока в источнике усиливаемых сигналов евх за счет действия источника питания Eк.

При подаче на вход усилителя переменного входного напряжения uвх напряжение uб становится пульсирующим (см. рис.2,б):

uб= Uб0 + uвх.

Это вызывает пульсации базового тока iб= Iб0+ iб~, коллекторного тока iк= Iк0+ iк~ и коллекторного напряжения uк= Uк0 + uк~. Для выделения переменной составляющей коллекторного напряжения uк~ на выходе усилителя включается конденсатор (на рис.1 не показан).

6

где τв=С0RвыхRн/(Rвых+ Rн) – постоянная времени на верхних частотах; С0 – емкость, учитывающая емкости коллекторного перехода и монтажа.

Уменьшение коэффициента усиления оценивают коэффициентами частотных искажений соответственно на нижней и верхней частотах Мн=К0 /Кн и Мв=К0 /Кв. Частоты fн, fв , на которых коэффициенты

усиления Кн , Кв достигают допустимых значений, называют границей полосы пропускания усилителя в области нижних fн и верхних fв час-

тот. Обычно К0 /Кн= К0 /Кв= 2 .

Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллектором

Усилитель, в котором транзистор включен по схеме с общим коллектором (ОК), называют эмиттерным повторителем (рис.5). Коллектор

Рис.5. Схема усилительного каскада с общим коллектором (ОК) – эмиттерного повторителя

транзистора по переменному току заземлен через малое сопротивление источника питания Ек. Поэтому коллектор является общей точкой для

7

входной и выходной цепей каскада. В результате этого в схеме эмиттерного повторителя осуществляется 100% отрицательная последовательная обратная связь, вследствие которой результирующее входное напряжение между базой и эмиттером определяется разностью входного и выходного напряжений, то есть Uбэ= Uвх- Uвых. Поэтому коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя

КU = Uвых /Uвх< 1.

Обычно КU = 0,9 – 0,99.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя составляет десятки и сотни кОм, выходное – десятки Ом. Без учета влияния сопротивления источника входного сигнала выходное сопротивление определяется из соотношения:

Rвых = Uвых /Iэ.

Коэффициент усиления по току

КI = Iвых / Iвх= Iэ / Iб = β +1,

где β – коэффициент усиления по переменному току для схемы с ОЭ, определяемый по выражению β = ∆Iк / ∆Iб при Uк = const; ∆Iк, ∆Iб – приращения соответственно токов коллектора и базы; Uк – напряжение на коллекторе.

Коэффициент усиления по мощности

Кр = КU КI ≈ КI.

В схеме эмиттерного повторителя фаза выходного напряжения совпадает с фазой входного.

С учетом указанных особенностей каскады эмиттерного повторителя применяются в качестве согласующего каскада между высокоомным датчиком входного сигнала и низкоомной нагрузкой с соответствующим усилением сигнала по току (то есть по мощности), в широкополосных усилителях, включаясь между предыдущим каскадом с высоким выходным сопротивлением и последующим – с малым входным.

8

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

собщей базой

Втиповой схеме усилительного каскада с общей базой (ОБ) делитель напряжения, составленный из резисторов RД1 иRД2 (рис.6), создает

на RД2 напряжение смещения на базу относительно эмиттера, фиксируя положение рабочей точки на входной динамической характеристике каскада. Через резистор Rэ проходит постоянная составляющая эмиттерного тока Iэ0. Поэтому суммарная величина напряжения смещения, подаваемого на базу:

Рис.6. Схема усилительного каскада с общей базой (ОБ)

Конденсатор Сб свободно пропускает переменную составляющую базового тока, устраняя отрицательную обратную связь по ней и повышая этим коэффициент усиления каскада по напряжению.

9

На резисторе Rк, который служит коллекторной нагрузкой, выделяется усиленное выходное напряжение переменной составляющей входного сигнала, кроме того, через Rк проходит и постоянная составляющая коллекторного тока, создавая на коллекторе необходимую величину

Таким образом, коэффициент усиления этого каскада по напряжению КU = ∆Uвых /∆Uвх >> 1. В зависимости от величины сопротивления резистора Rк, которое бывает значительно больше Rвх каскада, коэффициент усиления по напряжению КU может достигать 10-200. При этом сопротивление резистора Rк выбирается в пределах 1-20 кОм.

Коэффициент усиления по току КI =∆Iк/∆Iэ< 1.

Коэффициент усиления по мощности Кр = КU КI ≈ КU, то есть значительно меньше, чем в схеме с общим эмиттером.

Входное сопротивление каскада Rвх определяется главным образом сопротивлением Rэ и имеет незначительную величину (10-50 Ом),

выходное Rвых≈ Rк.

Усилительный каскад с ОБ обладает значительно лучшей температурной стабилизацией рабочего режима.

В табл.1 приведены сравнительные свойства рассмотренных схем включения транзисторов.