МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ (послед) (Восстановлен)

Рис. 4.1. Электрическая схема простейшего усилителя на биполярном транзисторе в схеме с ОЭ.

Теперь возникает вопрос, как выбрать значения VБЭ0 или IБ0, задающие режим работы транзистора по постоянному току, для данного транзистора при заданном напряжении питания EК и резистора RК, чтобы обеспечить максимальное усиление и минимальное искажение усиленного сигнала?

Для расчета режима по постоянному току на практике широко используется графоаналитический метод. В этом методе на семействе выходных статических характеристик транзистора строится линия нагрузки, которая устанавливает связь между IК и VКЭ при заданном ЕК и

RK (рис.4.2).

Рис. 4.2. Графики для определения по выходным характеристикам амплитудных значений переменных составляющих тока и напряжения на выходе транзистора.

По второму закону Кирхгофа для выходной цепи схемы рисунка 4.2

имеем

Из (4.1) вытекает

Выражение (4.2) и представляет собой уравнение линии нагрузки. Она изображается прямой линией и, поэтому, ее часто называют нагрузочной прямой.

Линию нагрузки в соответствие с уравнением (4.2) строят по двум точкам. В системе координат IК, VКЭ первая точка определяется по оси

токов координатами: VКЭ=0, IK* EK RK , а вторая на оси напряжений

координатами: IК=0, VK* EK . Соединяя эти точки прямой, получаем выходную нагрузочную характеристику (рис.4.2). Заметим, что чем больше нагрузочное сопротивление RК, тем меньше I*К и меньше наклон нагрузочной прямой: при RК 0 она вертикальна, при RК приближается к оси абсцисс.

Как видно из рисунка (4.2), нагрузочная прямая пересекает статические характеристики. Точки пересечения и определяют значения IК и VКЭ, которые соответствуют различным величинам тока базы IБ (параметра этих характеристик). Точка пересечения нагрузочной прямой с характеристикой, соответствующей заданному значению IБ0, называют точкой покоя или рабочей точкой. Значения IК0 (не путать с обратным тепловым током р-п-перехода) и VКЭ0, соответствующие точке покоя А при токе базы IБ0, определяют режим работы транзистора по постоянному току. При заданных значениях EК и RК рабочая точка транзистора может быть задана одним параметром: или IБ0, или IК0 и VКЭ0. Если точка покоя (точка А) установлена примерно в середине линии нагрузки, то усилитель в этом случае работает в режиме класса А. Режим класса А применяется для усиления слабых сигналов при минимальном нелинейном искажении. Если ток базы IБ = 0 (точка В на рис.6.8), то транзистор работает в режиме класса В, используемый для усиления сигналов по мощности.

Пусть в режиме класса A на входе усилителя (рис.4.1) имеется низкочастотное синусоидальное напряжение сигнала с амплитудой Uвхm (рис.4.3). Тогда напряжение между базой (входом) и общей точкой определится

Так как входные характеристики транзистора в нормальном активном режиме слабо зависят от напряжения VКЭ, то можно считать, что рабочая точка, определяющая ток базы в любой момент времени, перемещается по одной входной характеристике вверх и вниз в определенных пределах. При этом периодическое изменение базового тока приближенно можно представить выражением

32

Рис. 4.3. Графики для определения по входной характеристике амплитудных значений переменных составляющих тока и напряжения на входе транзистора.

где IБm - амплитуда переменной составляющей базового тока, соответствующая входному напряжению Uвхm. При таком законе изменения базового тока соответствующая рабочая точка в семействе выходных характеристик (рис.4.2) будет перемещаться с частотой по нагрузочной прямой между точкой С, соответствующей максимальному значению тока базы IБ max = IБ0 + IБ m, и точкой Е, определяемой минимальным током IБ min = IБ0 – IБ m. При этом коллекторный ток IK также имеет синусоидальный характер и изменяется от значения IК max = IК0 + IКm

до IКmin = IК0 – IКm, где IК m - амплитуда переменной составляющей коллекторного тока. Из-за наличия RК изменение IК вызывает

синусоидальное изменение VКЭ от значения VКЭ min = VКЭ0 – U2m до VКЭ max = VКЭ0 + U2m, где U2m = Uвыхm = IК m RК - амплитудное значение полезного усиленного сигнала на резисторе RК, характеризующее усилительный

эффект биполярного транзистора.

По определению коэффициент усиления каскада по напряжению

Предварительный расчет.

Используя входные и выходные характеристики транзистора, полученные в лабораторной работе №3, произвести графический расчет усилителя в режиме класса A для схемы с ОЭ. Исходные данные для расчета получить у преподавателя.

1.Построить на статических выходных характеристиках нагрузочную прямую и указать на ней рабочую точку. Определить значения IБ0, IК0, VКЭ0.

2.Используя входные характеристики определить постоянное напряжение

VБЭ0, соответствующее току IБ0, и амплитуду переменного входного напряжения Uвх m, обеспечивающую заданное значение амплитуды переменного входного тока IБ m;

3.Построить нагрузочные треугольники на выходных характеристиках и определить амплитуды переменных составляющих выходного тока IК m и

4. Определить коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности и КПД усилителя, используя формулы 4.5-4.15.

Методика проведения эксперимента

Схема установки для исследования работы биполярного транзистора в усилительном режиме приведена на рис. 4.4.

Режим по постоянному току задается источниками питания EП1 и ЕП2 и контролируется миллиамперметром РА1 и вольтметром PV2. Входное и выходное переменные напряжения могут быть измерены

цифровыми мультиметрами Контроль формы выходного напряжения осуществляется осциллографом типа С1-83. Величину переменной составляющей входного и выходного токов можно оценить по падению переменного напряжения на сопротивлениях RБ и RК:

б)

Рис. 4.4 Схема измерения усилительных свойств транзистора в схеме с ОЭ для а) p-n-p и б) n-p-n транзистора

Задание на работу в лаборатории

1.Собрать схему для исследования БТ в усилительном режиме

(рис.4.4.). Установить сопротивление RК, напряжение питания по вольтметру РV2 в соответствие с заданием, и ток базы IБ0 в соответствие с расчетом.

2.С помощью мультиметра измерить постоянные напряжения VБЭ0 и VКЭ0 и сравнить их с расчетными.

3.Подать от генератора входной сигнал частоты 1 кГц небольшой амплитуды так, чтобы выходной сигнал не имел заметных искажений. Контроль искажений осуществляется с помощью осциллографа. С помощью мультиметра измерить переменные напряжения U1m, Uвх m , UR к и

35

Uвых m, рассчитать коэффициенты усиления по току и напряжению и сравнить их расчетными. Результаты внести в таблицу.

4. Определить коэффициент усиления БТ по напряжению, току и мощности при различных сопротивлениях RК. Для этого измерить

Значения K1, KU, KP рассчитываются по формулам 4.16; 4.5; 4.6 и 4.9.

5. Исследовать влияние на форму выходного напряжения в рабочем режиме класса А (IБ=IБ.0) при RK = 1кОм величины входного сигнала при его возрастании до появления нелинейных искажений выходного сигнала. Зарисовать осциллограммы для трех значений входного сигнала. Измерить

напряжения Uвх m и Uвых m.

6. Исследовать влияние постоянного тока базы на форму выходного сигнала при постоянной амплитуде входного сигнала и RК = 1кОм. Зарисовать осциллограммы для трех значений тока базы: в режиме отсечки IБ ≈ 0,1IБ.0 , в активном режиме IБ=IБ.0 и в режиме насыщения IБ ≈(2-3)IБ0..

Отчет должен содержать:

1.Паспортные данные транзистора.

2.Результаты предварительного расчета.

3.Схемы исследования усилителя и таблицы с результатами измерений.

4.Графики зависимостей KI = f (RК), KU = f (RК) И KP = f (RК).

5.Осциллограммы выходного сигнала, снятых в пунктах 5 и 6 с указанием тока базы и амплитуд входного и выходного сигналов.

6.Выводы о результатах исследований с сравнениями результатов эксперимента и графического расчета и анализом графиков и осциллограмм.

Контрольные вопросы:

1.Поясните порядок проведения графического расчета параметров усилителя на БТ.

2.Как оценить коэффициенты усиления транзистора с помощью h-

36

параметров?

3.В какой схеме включения БТ обеспечивается наибольший коэффициент усиления по току, по напряжению, по мощности?

4.Способы задания рабочей точки транзистора по постоянному току.

5.Особенности работы транзистора в режиме классов А и В.

6.Поясните влияние рабочей точки на форму выходного напряжения в усилителе на БТ.

7.От каких факторов зависит максимальная выходная мощность, получаемая от данного транзистора?

ЛИТЕРАТУРА

1.Н. М. Гарифуллин. Электроника: Учебное пособие. – Уфа, РИЦ БашГУ, 2012. -163с.

2.Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. Под ред. Н. Д. Федорова. – М.: Радио и связь,1998.-

560с.

3.К. С. Петров. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие – Спб.: Питер, 2006. – 522с.

4.В. И. Лачин, Н. С. Савелов. Электроника. – Ростов н/Д: Феникс,

2005. -704с.

5.Г. Г. Червяков, С. Г. Прохоров, О. В. Шиндер. Электронные приборы. – Ростов н/Д: Феникс, 2012. – 333с.

6.И. П. Степаненко. Основы микроэлектроники. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488с.

7.В. А. Прянишников. Электроника. – СПб.: Корона-принт, 2004. –

416с.

8.В. А. Гуртов. Твердотельная электроника. – ПетрГУ, Петрозаводск,

2004. -312с.

9.В. С. Валенко. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2001. -

368с.

10.В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. Электроника. – М.: Высшая школа,

1991г.

11. Электроника: Справочная книга. Под редакцией Ю. А. Быстрова. – СПб,: Энергоатомиздат.,1996. -544с.

37

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Исследование частотных свойств биполярного транзистора

Цель работы. Исследовать частотные свойства биполярного транзистора для схем включения с ОЭ и определить его частотные параметры

Подготовка к работе.

Изучить следующие вопросы курса:

1.Факторы, влияющие на частотные свойства транзисторов.

2.Частотные зависимости коэффициента передачи тока для различных схем включения. Частотные параметры.

3.Зависимости входного и выходного сопротивлений транзистора от частоты для различных схем включения.

4.Эквивалентные схемы транзистора на высоких частотах.

5.Рассказать о дрейфовом транзисторе.

Краткая теория

Рассмотрим поведение п-р-п транзистора, включѐнного в схеме с ОБ, работающего в режиме класса А, когда на его вход действует переменный ток IЭ. Пусть амплитуда тока остаѐтся постоянной, а его частота ω меняется в широких пределах. При этом можно увидеть, что с увеличением частоты входного тока IЭ, выходной ток IК начинает запаздывать по фазе, а его амплитуда уменьшается. Это говорит о том, что появляется частотная зависимость коэффициента передачи тока α(ω).

Как известно в общем случае α=γЭχγК, где –коэффициент передачи тока в схеме с ОБ, Э–коэффициент инжекции эмиттера, –коэффициент переноса носителей через базу, γК–коэффициент захвата носителей коллекторным переходом. Отсюда вытекает, что зависимость α(ω) распадается на зависимости γЭ(ω), χ(ω) и γК(ω). Рассмотрим эти зависимости.

Частотная зависимость коэффициента инжекции обусловлена наличием барьерной ѐмкости СЭбар и диффузионной ѐмкостью СЭ.диф,, шунтирующих диффузионное сопротивление rдЭ эмиттерного перехода. Эквивалентная схема цепи эмиттера представлена на рис. 5.1.

С ростом частоты всѐ большая часть эмиттерного тока проходит через ѐмкости СЭ.бар СЭ.диф и поэтому не связана с инжекцией неосновных носителей в базу. Это означает, что эффективность эмиттера уменьшается. Расчеты показывают, что для зависимости коэффициента инжекции от частоты можно записать:

38

эмиттерного перехода, определяемая процессами перезарядки CЭ.бар и характеризует время задержки тока эмиттера. Выражение (5.1) показывает, что с увеличением частоты из–за шунтирующего действия барьерной ѐмкости эмиттера доля инжектированных носителей заряда уменьшается, а также возникает сдвиг фазы между входным током и током инжектированных в базу носителей, определяемый выражением (5.2).

Основной вклад в частотную зависимость α(ω) вносит зависимость χ(ω), обусловленный диффузионным переносом неосновных носителей заряда через базу. Решение уравнения диффузии для бездрейфового транзистора при условии, что ширина базы d постоянна и намного меньше длины диффузионного смещения электронов lDп, т.е. d<<lDп, дает что

χ0–коэффициент переноса на низкой частоте, τχ–постоянная времени определяемая формулой

Из выражения (4.3) следует, что с увеличением частоты сигнала χ(ω) уменьшается и появляется запаздывание сигнала, обусловленное временем

τχ.

В случае дрейфового транзистора постоянная времени

постоянная времени τχ уменьшается.

Частотная зависимость коэффициента экстракции носителей тока коллекторным переходом определяется двумя факторами: временем пролѐта τпр через область объѐмного заряда коллекторного перехода и постоянной времени цепи коллектора τK, обусловленный барьерной емкостью коллекторного перехода. Таким образом, γК(ω) можно представить в виде произведения двух составляющих К ( ) К' ( ) K" ( ) , определяемые этими факторами.

При движении электронов через объѐмный заряд коллекторного

39

перехода в последнем наводится ток. Расчет наведѐнного тока при воздействии гармонического сигнала показывает, что ток через переход изменяется как по амплитуде, так и по фазе. Для коэффициента переноса

через переход можно получить:

где lКП - ширина коллекторного перехода, др – скорость дрейфа электронов

в поле объемного заряда коллекторного перехода шириной, которая приблизительно равна средней тепловой скорости и

2 др

время пролета электронов в коллекторном переходе.

Коллектор реального транзистора характеризуется некоторым объѐмным сопротивлением Rk, поэтому процессы переноса заряда в коллекторе характеризуются постоянной времени цепи коллектора:

где CК.бар–барьерная ѐмкость цепи коллекторного перехода. При воздействии гармонического сигнала за счет К возникает, аналогично эмиттерному переходу, зависимость коэффициента переноса тока через коллекторный переход от частоты:

τЭК–полная постоянная времени транзистора, ωпрα–предельная частота, при

При работе транзистора в схеме с ОЭ частотную зависимость коэффициента передачи тока эмиттера β(ω) можно представить в виде

40