Лабораторна робота №5 Дослідження каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою із спільним емітером

Мета лабораторної роботи: метою лабораторної роботи є розрахунок, моделювання та експериментальні дослідження розрахованого каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером за допомогою програми схемотехнічного моделювання EWB

1 План виконання лабораторної роботи

5.1 Короткі теоретичні положення

5.2 Підготовка до лабораторної роботи

5.3 Послідовність розрахунку параметрів схеми

5.4 Робоче завдання

5.1 Короткі теоретичні положення

Схема каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером зображена на рис. 5.1.

За допомогою подільника напруги (резистори , ) задається (фіксується) постійна напруга на базі транзистора .

Якщо виконується умова , або (що практично теж саме ), то постійна напруга визначається за формулою:

. (5.1)

Постійна напруга на емітері визначається формулою:

, (5.2)

де - постійна напруга на переході база-емітер (в інженерних розрахунках для кремнієвих транзисторів зазвичай приймається 0,7 В).

Рисунок 5.1 – Схема каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою із спільним емітером

Постійний струм емітера визначається формулою:

. (5.3)

Враховуючи, що (де - коефіцієнт передачі струму транзистора за схемою включення із СЕ /за новими стандартами позначається як ,  - коефіцієнт передачі струму транзистора за схемою включення із СБ ), постійна напруга на ланці колектор-емітері визначається формулою:

. (5.4)

Головними параметрами каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером в діапазоні частот є:

- коефіцієнт підсилення в області середніх частот (див. рис. 5.2);

- вхідний опір в області середніх частот ;

- вихідний опір в області середніх частот ;

- частота зрізу в області верхніх частот ;

- частота зрізу в області нижніх частот .

Рисунок 5.2 - Параметри амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) підсилювального каскаду.

Рисунок 5.3 – Еквівалентна схема підсилювального каскаду в області середніх частот.

Рисунок 5.4 – Еквівалентна схема підсилювального каскаду в області високих частот.

Рисунок 5.5 – Еквівалентна схема підсилювального каскаду в області високих частот з перерахованою до входу ємністю С_к та об’єднаною з С_б’е.

Рисунок 5.6 – Еквівалентна схема підсилювального каскаду в області нижніх частот.

Завал АЧХ в області нижніх частот обумовлений розділовим конденсатором С1 погано пропускаючим низькі частоти на базу транзистора з-за великого значення опору 1/С1, а також конденсатором С2, який в області нижніх частот менше шунтує резистор R4, чим обумовлює появу негативного зворотного зв’язку за змінним струмом, зменшуючого коефіцієнт підсилення каскаду.

В області високих частот завал АЧХ викликаний погіршенням підсилювальних властивостей транзистора за рахунок впливу ємностей колекторного переходу С_к та сумарної ємності емітерного переходу С_б’е , (яка складається з бар’єрної С_е та дифузійної С_ед) складових в еквівалентній схемі каскаду (рис. 5.4, 5.5 ).

Область середніх частот

В області середніх частот опір конденсаторів великої ємності С1 і С2, також як і провідності малих ємностей С_к та С_б’е , можуть бути прийняті рівними нулю. Це і визначає вид еквівалентної схеми каскада (рис. 5.3) в середній області частот, за якою визначається коефіцієнт підсилення каскада в області середніх частот. Коефіцієнт підсилення в області середніх частот визначається формулою:

. (5.5)

де = - опір паралельно з’єднаних резисторів ;

- опір паралельного з’єднання R₁₂ та ;

- розподілений (об’ємний) опір бази ( паспортний параметр транзистора); - диференційний опір переходу база-емітер транзистора за схемою зі СЕ, значення якого визначається формулою:

; (5.6)

(струм в колі бази менше в струму емітера, тому відповідно опір базового кола набагато більше ніж у схеми із СБ); - диференційний опір переходу база-емітер транзистора за схемою зі СБ, значення якого визначається формулою:

; (5.7)

В - тепловий потенціал при температурі оточуючого повітря Т=300К; - постійний струм емітера; - коефіцієнт передачі струму транзистора за схемою зі СЕ (паспортний параметр транзистора); - паралельне з’єднання резисторів ; - крутизна транзистора, значення якої визначається формулою:

. (5.8)

Якщо вихідний опір джерела вхідної напруги змінного струму R_i =0, опором паралельного з’єднання R₁₂ та можна знехтувати, тоді формула (5.5) спрощується:

. (5.9)

Враховуючи, що зазвичай виконується умова , формулу (5.9) можна спростити до виду:

. (5.10)

В формулах (5.5), (5.9), (5.10) знак ““ враховує той факт, що підсилювач змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі СЕ є інвертуючим.

Коефіцієнт підсилення в області середніх частот в логарифмічних одиницях визначається формулою:

, дБ. (5.11)

Вхідний опір підсилювача в області середніх частот визначається формулою:

= . (5.12)

Вихідний опір підсилювача в області середніх частот визначається формулою:

, (5.13)

де - вихідна напруга в режимі холостого ходу, тобто вихідна напруга за умови, що ; - вихідний струм в режимі короткого замикання, тобто вихідний струм за умови, що .

область верхніх частот

в області верхніх частот можуть бути прирівненими до нуля тільки опори конденсаторів С1, С2 та С3. Еквівалентна схема підсилювального каскаду для області високих частот представлена на рис. 5.4.

Ємність С_к можно перерахувати до входу транзистора та об’єднати з дифузійною ємністю емітерного переходу С_б’е в ємність С₀ (рис. 5.5)

,

де , С_е – бар’єрна складова, – частота зрізу транзистора в схемі з СЕ (в довідниках наводиться частота одиничного підсилення струму f_Т ) , а в EWB подається параметр “τF” - forward transit time - час переносу заряду через базу, тобто , тоді

Частота зрізу в області верхніх частот (за умови, що вихідний опір джерела змінної вхідної напруги R_i =0) визначається формулою:

, (5.14)

де ; ; .

область нижніх частот

Еквівалентна схема підсилювального каскаду для області нижніх частот представлена на рис. 5.6.

Частота зрізу в області нижніх частот , зумовлена тільки конденсатором , визначається формулою:

, (5.15)

де = .

Частота зрізу в області нижніх частот , зумовлена тільки конденсатором , визначається формулою:

, (5.16)

де = .

Частота зрізу в області нижніх частот , зумовлена тільки конденсатором , визначається формулою:

, (5.17)

де = .