Содержание отчета

В отчете должны быть:

1. Принципиальные схемы опытов 1, 2 и 3.

2. Таблицы с измеренными и вычисленными данными.

3. Построенные семейства входных I_б=f(U_бэ) при U_кэ=const и выходных I_к=f(U_кэ) при I_бэ=const характеристик; амплитудные U_вых=f(U_вх) характеристики для схем с ОЭ и ОК.

4. Вычисленные h–параметры, коэффициенты усиления K_U, входное R_вх и выходное R_вых сопротивления для схем усиления с ОЭ и ОК (см. теоретические сведения).

Контрольные вопросы

1. Каков принцип действия биполярного транзистора?

2. Чем отличается транзисторы p-n-р и n-р-n?

3. Какие схемы включения транзисторов используют? Дать сравнительную оценку каскадов с ОЭ, ОБ, ОК?

4. Объясните статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

5. Каково влияние температуры окружающей среды на ход характеристик транзистора?

6. Что такое h-параметры и как их определить по характеристикам транзистора в схеме с ОЭ?

7. Каково назначение элементов в схемах усилителей с ОЭ, ОК?

8. Какова эквивалентная схема каскада ОЭ?

9. Как определяются параметры К_U, К_I, R_вх, R_вых, К_Р?

10. Объясните построение динамических характеристик.

11. Из каких соображений выбирается рабочая точка и режим усиления каскада усилителя напряжения?

12. Какова фаза выходного сигнала относительного входного в усилителях с ОЭ и ОК и почему?

13. Каковы особенности и назначение каскада с ОК?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДИНОЧНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1 Исследование однокаскадных усилителей на биполярных и полевых транзисторах.

2 Исследование и сравнение различных схем включения транзисторов.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Биполярный транзистор

Принцип работы и статические характеристики биполярного транзистора. Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n – переходами, предназначенный для усиления или генерирования электрических сигналов. Он имеет 3 области: эмиттер (Э), коллектор (К) и базу (Б). Различают два типа транзисторов: p-n-p (рис.24,а) и n-p-n (рис.24,б).

а) б)

Рис.24

Ниже рассматривается проводимость p-n-p транзистора (рис.25). Постоянные напряжения источников подаются на переход эммитер–база в прямом (проводящем) направлении (10…30 В), на переход коллектор–база в обратном (запирающем) направлении (0,1…0,5 В).

Рис. 25

При отключении источника свободные носители зарядов (электроны и дырки) перемещаются в p-n– переходах из одной области в другую вследствие диффузии. Дырки эмиттера переходят в базу, а электроны базы – в эмиттер, образуя диффузионный ток I_диф. В результате этого движения зарядов на границе p и n областей образуются объемные заряды, создающие потенциальный барьер (рис.25б, кривая 1), препятствующий движению основных носителей зарядов – дырок эмиттера в базу, электронов базы в эмиттер. Однако потенциальный барьер не препятствует движению неосновных носителей, образующих дрейфовый ток I_др. Диффузионный и дрейфовый токи создают два равных потока зарядов:

I_диф + I_др = 0, (1)

в результате чего ток в каждом p-n переходе равен 0.

При подключении источников уменьшается потенциальный барьер в переходе эмиттер – база (рис.25б, кривая 2). Дырки эмиттера преодолевают потенциальный барьер и попадают в область базы, создавая ток эмиттера I_э. В области базы небольшая часть дырок рекомбинирует со свободными электронами базы (так как концентрация электронов базы мала), образуя малый ток базы I_б. Большая часть дырок вследствие диффузии и ускоряющего поля коллектора достигают области коллектора в виде тока коллектора I_к. Токи прибора связаны соотношением:

I_э = I_б + I_к. (2)

Для анализа работы транзисторов используют статические характеристики. На рис.26 показаны семейства входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис.27). Входные характеристики представляют зависимости I_б = f(U_бэ) при U_кэ = const (рис.26а); выходные – I_к = f(U_кэ) при I_б = const (рис.26б). Входные кривые при изменении напряжения на коллекторе U_кэ в широких пределах изменяются незначительно, поэтому обычно пользуются одной кривой I_б = f(U_бэ), соответствующей среднему значению U_кэ.

а) б)

Рис.26

Схема включения транзистора. Транзистор включается по трем схемам в зависимости от того, какой электрод является общим (по переменному току) для входной и выходной цепей усилителя: с общим эмиттером (рис.27), с общей базой (рис.28), с общим коллектором (рис.29). Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером, обладающая рядом преимуществ.

Рис. 27 Рис. 28 Рис.29

В таблице 9 сопоставлены параметры усилителей с различными схемами включения транзисторов.

Таблица 9

Параметр	Схема включения
	С общей базой	С общим эмиттером	С общим коллектором
Входное сопротивление Выходное сопротивление Коэффициент усиления по напряжению Коэффициент усиления по току Коэффициент усиления по мощности	50÷100 Ом 0,1÷0,5 МОм 30÷400 ≈ 1 30÷400	200÷2000 Ом 30÷70 кОм 30÷1000 10÷200 3000÷30000	10÷500 кОм 50÷100 Ом ≈ 1 10÷200 10÷200

Усилительный каскад на транзисторе с общим эмиттером. Принципиальная схема усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером приведена на рис.30. Источник переменной э.д.с. e_вх с внутренним сопротивлением R_вн создает на входе схемы входное напряжение U_вх. Усиленное выходное напряжение U_вых снимается с сопротивления нагрузки R_н. При этом выходная мощность усилительного каскада значительно больше входной мощности источника питания E_к.

Рис.30

На рис.31 дан графический анализ работы усилительного каскада в режиме холостого хода (сопротивление нагрузки R_н отключено).

– По цепи базы (+Е_к, резистор R_б, участок база–эмиттер транзистора, земля ) течет ток базы I_б0 и создает положительное напряжение смещения базы относительно эмиттера U_б0, равное:

U_б0 = Е_к – R_к I_б0. (3)

Рис. 31

– По цепи коллектора (+Е_к, резистор R_к, участок коллектор–эмиттер транзистора, ) течет ток базы I_к0 и создает положительное напряжение смещения коллектора относительно эмиттера U_к0, равное:

U_к0 = Е_к – R_к I_к0. (4)

Величины I_б0, U_б0, I_к0, U_к0 задают режим постоянных токов и напряжений входной и выходной цепей усилителя. На рис.31 это рабочие точки А2 и А3.

Для создания в дальнейшем линейного режима усиления каскада положения рабочих точек по постоянному току А2 и А3 находят следующим образом:

- на выходных характеристиках I_к = f(U_кэ) при I_б = const (рис.31) строят линию сопротивления R_к, используя формулу (4), согласно которой ток I_к равен:

; (5)

Рис. 32

Из формулы (5) следует, что линия R_к проходит через 2 точки на осях: точка B имеет координаты U_к = 0, ; точка С – U_к = Е_к, I_к = 0;

- по точкам пересечения линии R_к c выходными характеристиками строят переходную характеристику I_к = f(I_б);

- затем в середине линейного участка переходной характеристики отмечают рабочую точку А1, которой соответствуют рабочие точки входной цепи (А2: I_б0, U_б0) и выходной (А3: I_к0, U_к0).

При подаче на вход усилителя переменного напряжения U_вх возникает переменная составляющая тока базы i_б, которая приводит к возникновению переменных составляющих тока коллектора i_к и напряжения на коллекторе U_к. Переменное напряжение на коллекторе является выходным усиленным напряжением.

На рис. 32 показаны временные диаграммы токов и напряжений в усилителе на транзисторе (рис.30) в режиме покоя ( ) и в режиме усиления (t > t₁).

При расчете режимов работы усилителя необходимо использовать данные предельно допустимых значений токов, напряжений, мощностей, частоты, а именно:

а) для предотвращения перегрева коллекторного перехода мощность, выделяемая на коллекторе должна быть меньше максимально допустимой мощности P_kmax:

P_k = U_к I_к < P_kmax; (6)

б) для предотвращения пробоя закрытого коллекторного перехода напряжение коллектора U_к должно меньше максимально допустимого напряжения U_kmax:

U_к < U_kmax; (7)

в) для предотвращения перегрева эмиттерного перехода ток эмиттера должен быть меньше максимально допустимого:

I_э < U_эmax; (8)

г) частота входного напряжения должна быть меньше граничной частоты f_гр, при которой коэффициент передачи по току уменьшается до единицы:

f < f_гр. (9)

Схема замещения транзистора (для переменных токов и напряжений малой амплитуды). Из анализа работы усилителя на транзисторе (рис.30) видно, что под действием входного переменного напряжения u_вх = U_mвхsinωt входные величины u_б, i_б получают приращения ∆u_б, ∆i_б, вызывающие изменения выходных величин:

u_б = U_б0 ± Δu_б; i_б = I_б0 ± Δi_б;

(10)

u_к = U_к0 ± Δu_к; i_к = I_к0 ± Δi_к.

При этом максимальные приращения равны амплитудам переменных составляющих:

u_б = U_б0 ± ∆U_m0; i_б = I_б0 ± ∆I_mб;

(11)

u_к = U_к0 ± ∆U_mк; i_к = I_к0 ± ∆I_mк.

Если входное напряжение имеет малую амплитуду, то приращения указанных величин также малы, и работа транзистора проходит на линейных участках входных и выходных характеристик. В этом случае транзистор может быть представлен в виде линейного четырехполюсника. Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, справедливы также уравнения для малых конечных приращений напряжений и токов: в окрестностях рабочих точек на входных и выходных характеристиках транзистора (рис.34):

∆U_б = h₁₁∆I_б + h₁₂∆U_k;

(12)

∆I_k = h₂₁∆I_б + h₂₂∆U_k,

где при U_кэ = U_кэ0 – входное сопротивление транзистора в Омах; (13)

при U_кэ = U_кэ0 – коэффициент усиления по току; (14)

при I_б = I_б0 – коэффициент внутренней обратной связи по напряжению; (15)

при I_б = I_б0 – выходная проводимость транзистора в сименсах. (16)

Так как напряжение базы мало зависит от напряжения коллектора U_к, то коэффициент h₁₂ .

На рис.33 изображена схема замещения транзистора, соответствующая уравнениям (12).

h – параметры транзистора можно определить по семействам входных и выходных характеристик. h – параметры хорошо описывают работу транзистора в области низких частот. При работе на высоких частотах коэффициент усиления по току h₂₁ уменьшается из-за инерционности носителей заряда. Кроме того, на повышенных частотах сказывается влияние межэлектродной емкости p-n – перехода коллектор-база.

Рис.33

Графоаналитический метод расчета параметров усилительного каскада на транзисторе. Существует несколько методов расчета основных параметров, характеризующих работу усилителя: коэффициентов усиления по напряжению K_U, току K_I и мощности K_Р, входного R_вх и выходного R_вых сопротивлений. Наиболее простым является графоаналитический метод, при котором выбор рабочей точки производится графически, а для расчета других параметров пользуются h– параметрами транзистора.

Этот метод рассматривается на примере усилителя на транзисторе по схеме с общим эмиттером (рис.30).

Последовательность анализа работы усилителя указанным методом состоит в следующем:

- сначала графически находят положения рабочих точек по постоянному току входной и выходной цепей (рис.34);

а) б)

Рис.34

- указание: если величина сопротивления R_к неизвестна, то линию R_к проводят вблизи точек перегиба кривых I_к = f(U_кэ)| I_б = const так, чтобы она не выходила за пределы рабочей области транзистора и при этом обеспечивала линейность и максимальную крутизну переходной характеристики I_к = f(I_б); кроме того, величина должна быть меньше предельно допустимого значения I_{к max};

- величина сопротивления R_б, обеспечивающее необходимое напряжение смещения базы относительно эмиттера U_б0 и ток базы I_б0 рассчитывается по формуле:

; (17)

- емкость С₁ разделяет по постоянному току цепь базы и цепь источника усиливаемого напряжения e_вх, R_вн, так как ток покоя базы I_б0 и напряжение U_б0 не зависят от параметра источника R_вн, иначе это приведет к смещению рабочей точки А2 и к появлению искаженной формы усиливаемого напряжения; сопротивление X_С1 находят так:

, где R_вх – входное сопротивление усилителя для переменного тока; (18)

- емкость C₂ разделяет по постоянному току цепь коллектора и нагрузку R_н, которая не должна влиять на режим покоя цепи коллектора – U_к0, I_к0; кроме того, напряжение нагрузки U_вых должно быть переменным:

, где R_вых – выходное сопротивление усилителя для переменного тока; (19)

- после того, как определены рабочие точки по постоянному току входной цепи (U_б0, I_б0) и выходной цепи (U_к0, I_к0), находят h– параметры транзистора по приращениям токов и напряжений указанных рабочих точек (рис.34):

(рис. 11а); (рис. 11б);

(рис.11б); h₁₂ = 0;

- затем составляют схему замещения усилителя с использованием h– параметров транзистора (рис.35); эта схема справедлива для переменных составляющих токов и напряжений, имеющих малые амплитуды; на рис.35 обозначены их действующие значения;

Рис. 35

- по схеме замещения усилителя находят его основные параметры:

К_Uxx – коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода (нагрузка R_н отключена):

; h₂₂R_k << 1; (20)

К_U – коэффициент усиления по напряжению при работе на нагрузку R_н:

; (21)

K_I – коэффициент усиления по току при нагрузке R_н:

; (22)

K_Р – коэффициент усиления по мощности:

K_Р =K_UK_I; (23)

R_вх – входное сопротивление усилительного каскада:

; (24)

R_вых – выходное сопротивление:

; (25)

Примечание: с учетом внутреннего сопротивления источника усиливаемого напряжения R_вн формулы для коэффициента усиления K_U принимают следующий вид:

; (26)

. (27)

При подаче на вход усилительного каскада переменного напря­жения U_вх возникает переменный ток базы i_б, который в соответ­ствии с переходной характеристикой приводит к возникновению пе­ременного тока коллектора i_к. Ток коллектора создает на резисторе R_к падение напряжения, которое является выходным. Важнейшая характеристика усилительного каскада – коэффициент усиления по напряжению К_U=U_вых/U_вх. Так как предел измерения выходного напряжения порядка единиц вольт, а входное напряжение измеряется в милливольтах (рис. 31), то коэффициент усиления может достигать сотен единиц.

При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за предел линейных участков переходной и динамической входной характеристик, в результате чего форма выходного напряжения претерпевает значительные искажения. Эти искажения, обусловленные нелинейностью указанных характеристик, называются нелинейными. Для оценки допустимого диапазона изменения вход­ных напряжений используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от входного (рис.36). Линейный участок амплитудной характеристики позволяет определять диапазон входных напряжений, при которых отсутствуют нелинейные искажения.

Рис. 36

Усилительный каскад с температурной стабилизацией параметров транзистора. Существенным недостатком биполярного транзистора является зависимость его от температуры. При повышении температуры увеличивается ток коллектора за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению коллекторной (выходной) характеристики транзистора и к смещению рабочей точки. В некоторых случаях повышение температуры может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нарушить работу усилителя.

Для уменьшения влияния температуры в цепь эмиттера включают резистор R_э (рис. 37).

Рис. 37

Для создания напряжения смещения базы U_б0 в схему включен делитель напряжения R₁, R_2. При этом постоянное напряжение на базе равно:

; (28)

Повышение температуры приводит к увеличению тока эмиттера I_э0 и напряжения R_эI_э0. Это вызывает уменьшение напряжения базы U_б0 и тока базы I_б0, что, в соответствии с переходной характеристикой, приводит к уменьшению тока коллектора I_к0. Итак, при изменении температуры ток I_к0 поддерживается постоянным.

Однако введение в схему резистора R_э изменяет работу усилительного каскада в режиме усиления – при подаче на вход переменного усиливаемого напряжения U_вх.

Переменная составляющая ток эмиттера i_э~ создает на резисторе R_э переменное напряжение R_эi_э~, действующее в противофазе по отношению к входному напряжению U_вх. Это уменьшает напряжение на базе:

U_в~ = U_вх - R_эi_э~ (29)

и, следовательно, уменьшает коэффициент усиления каскада. Для устранения этого явления, называемого отрицательной обратной связью, включают емкость С_э параллельно R_э. Величину емкости берут такой, чтобы сопротивление было много меньше R_э, при этом напряжение R_эi_э~ ≈ 0 и напряжение на базе равно входному напряжению:

U_в~ ≈ U_вх. (30)

Усилительный каскад с общим коллектором. Широкое применение находит усилительный каскад на транзисторе, соединенном по схеме с общим коллектором. Каскад имеет сильно выраженную отрицательную обратную связь по напряжению (рис. 38).

Рис. 38

Выходное напряжение практически равно входному:

U_вх = U_вых, (31)

так как U_вх= U_вых+U_в~, но U_вых >> U_в~. При этом одинаковы фазы входного и выходного напряжений. Поэтому данный каскад называют эмиттерным повторителем. На рис. 39 показаны временные диаграммы U_вх(t), i_э(t), U_вых(t).

Рис. 39

С помощью схемы замещения данного каскада (рис. 40) находят его параметры K_U, K_I, R_вх, R_вых.

Рис. 40

Так, коэффициент передачи по напряжению равен:

(0,9…0,99); (32)

коэффициент передачи (усиления) по току:

(составляет десятки ед.); (33)

входное сопротивление:

(10³…10⁵ Ом – велико); (34)

выходное сопротивление:

(составляет десятки Ом – мало). (35)

Основное назначение эмиттерного повторителя – согласование высокоомного выходного сопротивления усилительного каскада R_{вых ус} с

низкоомным сопротивлением нагрузки R_н (рис. 41).

Рис. 41