4. Опрацювання експериментальних даних

1. Користуючись таблицями 1 і 2, побудувати вольт-амперні харак-теристики.

2. Із побудованих характеристик визначити основні параметри польового транзистора, а саме :

а) напругу відсічки U₀;

б) крутизну лінійної ділянки

в) початковий струм стоку Іс_поч;

г) внутрішній опір при U_зв,=const.

5. Контрольні запитання

1. Поясніть принцип роботи польового транзистора із затвором у вигляді p-n переходу.

2. Наведіть вольт-амперні характеристики ПТ із керуючим p-n переходом і поясніть їх.

3. Охарактеризуйте основні параметри польового транзистора.

4. Чим пояснити менший рівень власних шумів ПТ порівняно з біполярним транзистором?

5. Чим пояснити наявність ділянки насичення струму стоку І_с на вихідних (стокових) вольт-амперних характеристиках ПТ?

6. Назвіть основні переваги польових транзисторів із p-n переходом у порівнянні з біполярними транзисторами.

7. Назвіть основні області застосування польових транзисторів.

6. Рекомендована література

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М: Высшая школа, 1991. – 622 с.

2. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 352 с.

3. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. В. 2 ч. – К.: Вища школа, 1989. Ч.1. – 432 с.

4. Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники. – К.: Вища школа, 1985. – 400 с.

5. Крутякова М.Г., Чариков Н.А., Юдин В.В. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования. – М.: Радио и связь, 1983. – 352 с.

6. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств./ Под ред. А.А.Куликовского. – М.: Энергия, 1977. – 576 с.

7. Буняк А. Електроніка та мікросхемотехніка: - Київ – Тернопіль, 2001.- 382 с.

Лабораторна робота №4 однокаскадні підсилювачі сигналів на транзисторах

Мета роботи: дослідження однокаскадних підсилювачів синусоїдних сигналів на біполярному транзисторі у схемі зі спільним емітером і польовому транзисторі в схемі із спільним витоком.

1. Теоретичні відомості

1.1. Підсилювачем називають пристрій, в якому малопотужний вхідний сигнал керує передаванням значно більшої потужності від джерела живлення до навантаження, причому форма вихідного сигналу суттєво не відрізняється від форми вхідного сигналу.

Підсилювач характеризують показниками, основними з яких є: коефіцієнт підсилення напруги, струму, потужності; вхідний та вихідний опори. Основним якісним показником роботи підсилювача є точність відтворення форми підсилюваного сигналу на виході підсилювача. Спотворення форми вихідного сигналу в підсилювачах відбувається за рахунок нелінійності характеристик транзистора (нелінійні спотворення) та за рахунок реактивних елементів у схемі підсилювача (частотні спотворення).

1.2. Однокаскадний підсилювач на транзисторі у схемі зі спільним емітером (се)

Схема найпростішого підсилювального каскаду СЕ зображена на рис.1.

Error: Reference source not found

Рис.1. Схема найпростішого підсилювального каскаду СЕ

Транзистор VT n-p-n типу під'єднано до джерела постійної напруги Е_к послідовно з резистором R_к. База транзистора під'єднана до джерела Е_к через резистор R_б. Вказані резистори забезпечують режим роботи каскаду на постійному струмі.

Вхідний змінний сигнал приходить від джерела e_г. Роздільний конденсатор С1 не пропускає постійного струму від джерела Е_к в коло джерела сигналу і не допускає шунтування вхідного кола транзистора джерелом сигналу. З іншого боку, цей конденсатор не пропускає постійну складову джерела сигналу (якщо така є) на вхід транзистора, тобто усуває вплив джерела сигналу на режим роботи каскаду на постійному струмі. Навантаження R_н під'єднано до колектора транзистора через роздільний конденсатор С2, який не пропускає в навантаження постійну складову струму (напруги) колектора та усуває вплив навантаження на режим роботи колекторного кола на постійному струмі.

За відсутності змінного сигналу на вході каскаду в колі колектора протікає постійний струм I_кп, значення якого залежить від напруги джерела живлення Е_к, опору резистора R_к і постійного струму в колі бази I_бп.

Для колекторного кола за другим законом Кірхгофа можна записати

I_кпR_к + U_кп = Е_к, (1)

де U_кп - напруга колектор - емітер транзистора, що відповідає струму I_кп. Великими літерами позначаємо постійні напруги і струми, а маленькими – змінні.

Розглянутий режим називають режимом спокою каскаду (йому відповідповідає індекс “п” у позначеннях напруг і струмів).

Струм колектора і напругу колектор - емітер можна визначити графічно. Оскільки напруга джерела Е_к постійна, рівність (1) виконується при будь-якому значенні струму колектора:

i_кR_к + u_ке =Е_к . (2)

Вираз (2) - це рівняння прямої, яка проходить через точки з координатами i_к=0, u_ке=Е_к і u_ке=0, i_к=Е_к/R_к. Цю лінію називаєть лінією навантаження постійного струму. Побудуємо в одній і тій же системі координат вихідні характеристики транзистора i_к=f(u_ке) і лінію навантаження постійного струму, як зображено на рис. 2. Координати точки перетину О вихідної характеристики, що відповідає струму бази I_бп, і лінії навантаження визначають постійні (їх називають робочими) струм колектора I_кп і напругу колектора U_кп відносно „землі”.

Цю точку перетину О називають робочою точкою транзистора. Струм бази спокою в схемі рис. 1 дорівнює:

I_бп = (Е_к - U_бп)/R_б  Е_к/R_к , (3)

де U_бп - постійна напруга база - емітер (U_бп << Е_к, оскільки емітерний перехід зміщений в прямому напрямі).

Струм бази пов'язаний зі струмом колектора співвідношенням:

I_бп = I_кп/,

де  - коефіцієнт передавання струму бази в коло колектора.

Error: Reference source not found

Рис.2

При під'єднанні до входу каскаду джерела синусоїдної напруги e_г між базою й емітером транзистора з'явиться синусоїдна напруга u_вх, яка накладається на постійну напругу U_бп. Під впливом u_вх у колі бази виникає змінна складова струму i_б з амплітудою I_бm, яку можна визначити на вхідній характеристиці транзистора, як зображено на рис.2. Змінна складова струму бази викликає появу змінної складової в колі колектора

i_к = i_б.

Ця складова, протікаючи по опору R_к, створює спад напруги на цьому опорі: u_Rк = i_кR_к. Тому можна записати баланс напруг у колекторному колі

I_кпR_к + i_кR_к + U_кп + u_вих = Е_к, (4)

де u_вих - змінна складова напруги на транзисторі.

Із виразу (4) бачимо, що при збільшенні i_к для забезпечення балансу напруг вихідна напруга u_вих повинна зменшуватись, причому u_вих=-i_кR_к.

Оскільки i_к = i_б, а струм бази зростає при зростанні u_вх, можна стверджувати, що зростання вхідної напруги u_вх призведе до зменшення u_вих, тобто, вихідна напруга в каскаді СЕ буде в протифазі з вхідною напругою.

За наявності на виході каскаду навантаження R_н змінна складова струму колектора розподіляється між резистором R_к і навантаженням R_н, які для змінного струму ввімкнені паралельно (внутрішній опір джерела напруги Е_к дорівнює нулю). Отже, для змінного струму опір у колі колектора дорівнює :

R_к~ = R_к||R_н = R_кR_н/(R_к+R_н).

Тому для змінного струму лінія навантаження буде інша, ніж для постійного струму (лінія аб на рис.2). Ця лінія проходить через робочу точку О під кутом  до осі абсцис, тангенс якого дорівнює :

tg = 1/R_к~ . (5)

Миттєві значення струму колектора i_к і напруги u_ке=u_вих на транзисторі знаходять за точками перетину лінії навантаження для змінного струму з вихідними характеристиками транзистора. Провівши через робочу точку О вісь часу, як зображено на рис.2, можна побудувати криві струму i_к і вихідної напруги u_ке=u_вих. З побудови бачимо, що u_вих зсунена по фазі відносно u_вх на 180.

Робочу точку вибирають посередині лінії навантаження для змінного струму, щоб забезпечити максимальну амплітуду неспотвореного вихідного сигналу. Якщо при зміні вхідної напруги струм бази змінюється в таких межах, що струм колектора не виходить за межі ділянки ab, на якій лінія навантаження перетинає вихідні характеристики, розташовані на однакових відстанях при рівних змінах струму бази, то зв`язок між струмом бази і струмом колектора буде лінійний. Якщо при цьому і струм бази змінюється в межах лінійної ділянки вхідної характеристики, то зв'язок між вхідною і вихідною напругами буде також лінійним. У цьому випадку форма напруги на виході каскаду буде повторювати форму напруги на його вході.

На практиці розглянуту схему каскаду СЕ не застосовують, оскільки в ній відсутня температурна стабілізація робочої точки. При підвищенні температури транзистора зростає зворотний струм колекторного переходу I_ко, коефіцієнт передавання  і струм бази. Це призводить до зростання колекторного струму спокою I_кп. Точка спокою О переміститься в положення О'. Як бачимо з рис.2, спотворення від'ємної півхвилі вихідної напруги почнуться при меншій амплітуді вхідного сигналу. При зниженні температури буде спотворюватися додатна півхвиля напруги.

Одна з найпоширеніших схем каскаду СЕ зображена на рис.3. Для обмеження нестабільності робочої точки служить резистор R_е.

Error: Reference source not found

Рис.3 Рис.4

Стабілізуюча дія резистора здійснюється за рахунок від'ємного зворотного зв'язку по постійному струму. При збільшенні струму колектора (а, отже, струму емітера) зростає спад напруги на опорі R_е. Напруга ж на базі фіксована за допомогою подільника R1, R2. Тому напруга U_беп між базою і емітером зменшується; при цьому зменшується базовий струм спокою I_бп, а, отже, зменшується і струм колектора. Струм колектора I_кп і напруга U_кп наближаються до свого початкового значення.

Для усунення зворотного зв'язку по змінному струму (який зменшує коефіцієнт підсилення каскаду) резистор R_е шунтують конденсатором C_е. Його ємність повинна бути досить великою, щоб спадом емітерної напруги на ньому можна було знехтувати.

Тепер лінія навантаження постійного струму проходить через точки з координатами U_ке=Е₀; I_к=0; і U_ке=0; I_к=Е_к/(R_к +R_е); для змінного струму - так як і для попередньої схеми.

Розрахунок параметрів каскаду СЕ в області середніх частот виконують за допомогою еквівалентної схеми для змінних складових струму і напруг (рис.4). Цю схему будують на основі еквівалентної схеми транзистора шляхом додавання до неї вхідного і вихідного кіл каскаду. Ємності С1, С2 і С_Е вибирають так, щоб у робочому діапазоні частот їх опором можна було знехтувати. Опір подільника R1, R2 суттєво більший за вхідний опір схеми, тому для спрощення розрахунку в еквівалентну схему його не включають.

Вхідний опір каскаду СЕ

Для вхідного кола на основі другого закону Кірхгофа можна записати

u_вх= і_бr_б+ і_еr_е= і_бr_б+(1+)і_бr_е . (6)

Звідси R_вх= u_вх/i_вх= u_вх/i_б= r_б+(1+)r_е . (7)

Коефіцієнт підсилення напруги

Напругу на навантаженні, вважаючи що r_к>>=R_н||R_к і не враховуючи його, можна записати:

u_вих=-і_кR_н||R_к =-і_б R_н||R_к, (8)

де знак "-" враховує протифазність вихідної напруги по відношенню до вхідної. Для вхідного кола можна скласти рівняння :

е_г= і_вх(R_г+R_вх)= і_б(R_г+R_вх) . (9)

Тоді коефіцієнт підсилення по напрузі буде дорівнювати:

К_u=u_вих/е_г= -(R_н||R_к)/(R_г+R_вх) . (10)

Коефіцієнт підсилення струму

Струм у навантаженні дорівнює:

і_н= u_вих/R_н= і_б(R_н||R_к)/R_н= i_бR_к/(R_н+R_к). (11)

Тоді при і_б = і_вх маємо

К_і= і_н/і_вх= R_к/(R_н+R_к). (12)

Вихідний опір каскаду

R_вих  R_к||r_к  R_к . (13)

Частотні властивості каскаду СЕ обумовлені наявністю реактивних (частотно-залежних) елементів у схемі каскаду.

Для аналізу каскаду в області нижніх частот (НЧ) в еквівалентній схемі враховують розділові конденсатори С1 і С2 і ємність С_Е. Еквіва-лентна схема в області НЧ зображена на рис.5.

Повний аналіз каскаду в загальному вигляді призводить до громіздких виразів, тому вплив цих ємностей оцінюємо якісно.

Опір ємності С1 можна віднести до внутрішнього опору генератора. Тоді можна записати:

Z_г=R_г+1/(jωC₁). (14)

Підставивши цей опір у вираз (10), можна побачити, що при зменшенні частоти опір Z_г зростає, тому коефіцієнт підсилення по напрузі буде зменшуватися і на постійному струмі (ω=0) він буде дорівнювати нулю.

Error: Reference source not found

Рис.5. Еквівалентна схема каскаду в області НЧ

Подібний вплив на частотні властивості має і ємність С2, яку можна віднести до вихідного опору каскаду

Z_вихR_к+1/(jωC₂). (15)

Тоді при зменшенні частоти цей опір зростає і все більша частина напруги спадає на ньому, тому при ω=0 напруга на навантаженні дорівнює нулю.

Ємність С_Е впливає на частотні властивості дещо інакше. При зменшенні частоти її опір зростає, за рахунок цього виникає від'ємний зворотний зв'язок, який зменшує коефіцієнт підсилення підсилювача. При ω=0 коефіцієнт підсилення (без урахування впливу роздільних ємностей С1 і С2) прямує до величини

, (16)

а не до нуля, як за рахунок впливу роздільних ємностей.

В області верхніх частот (ВЧ) необхідно враховувати вплив ємності колекторного переходу С_к на опір навантаження, а також частотну залежність коефіцієнта передавання базового струму

(j)=_o/(1+j_),

де _o - коефіцієнт передавання базового струму при =0;

_ - стала часу транзистора в схемі СЕ.

При зростанні частоти в області ВЧ напруга на навантаженні (а також коефіцієнт підсилення) зменшується і при   прямує до нуля.

Вплив усіх цих факторів формує частотну характеристику підсилювального каскаду, яка має вигляд, зображений на рис.6.

Error: Reference source not found

Рис.6. Частотна характеристика каскаду

Таким чином, зменшення коефіцієнта підсилення в області НЧ зумовлено впливом роздільних і блокуючої емітерної ємностей, що входять до складу каскаду СЕ, а в області ВЧ - інерційними властивостями транзистора та шунтуючим впливом ємності колекторного переходу.