Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Электропривод и автоматизация промышленных установок"

Транзисторные каскады усиления

Методические указания к лабораторной работе № 1

по курсу

"ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ

ЭЛЕКТРОНИКИ"

для студентов очного обучения специальностей 18.04, 18.07, 18.08

Нижний Новгород 1998

Введение

Неотъемлемой частью практически любого устройства информационной электроники является усилитель электрических сигналов, содержащий один или несколько каскадов усиления, которые могут быть выполнены по различным схе­мам и на различной элементной базе. Целью работы является изучение принципа действия и характеристик усилительных каскадов, построенных на биполярных и полевых транзисторах.

1. Элементы теории транзисторных усилительных каскадов

Усилителями называют устройства, в которых относительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источни­ка питания в нагрузку. В общем случае усилители должны усиливать как пере­менные, так и постоянные или медленно изменяющиеся сигналы. Такие усилите­ли наиболее универсальны и называются усилителями постоянного тока - УПТ (точнее сигнала). Усилители, усиливающие только переменную составляющую сигнала, по аналогии можно назвать усилителями переменного тока или сигнала -УПС.

Простейшая усилительная ячейка носит название усилительного каскада.

1.1. Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Усилительные каскады на биполярных транзисторах могут быть выполнены по схемам с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Наибольшее распространение в устройствах промэлектроники получили усилители с ОЭ и ОК.

1.1.1. Усилительный каскад с оэ

В этом усилителе эмиттер является общим электродом для входной и вы­ходной цепей (рис. 1.1). Эмиттер заземляется (соединяется с корпусом ), при этом общей становится точка " ".

Усилительный каскад с ОЭ

А нализ работы ненагруженного кас­када усиления удобно производить с помощью вольт-амперных характеристик транзистора:

а) входной характеристики

(1.1)

б) выходных характеристик

φ (1.2)

и характеристики линейной части схемы

(1.3)

Графическое решение системы уравнений (1.1... 1.3) представлено на рис.1.2.

Передаточная характеристика и временные диаграммы работы каскада с ОЭ

Прямая MN, называемая линией нагрузки по постоянному току, проводится через две точки, соответствующие режимам холостого хода и короткого замыка­ния. (Координаты точки N: , ; координаты точки М: , .) Точки пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками транзистора определяют значения тока и напряжения при любых значе­ниях тока и напряжения

Передаточная характеристика каскада может быть построена по точкам пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками транзистора. В передаточной характеристике можно выделить три характерных области:

- отсечка: , ;

- активный режим;

- насыщение: , ,

где - начальный (тепловой) ток коллектора;

- напряжение насыщения транзистора.

Из передаточной характеристики видно, что положительному приращению входного напряжения соответствует отрицательное приращение выходного на­пряжения, т.е. каскад усиления ОЭ - инвертирующий.

В общем случае на вход каскада наряду с входным переменным сигналом подают постоянное напряжение смещения

При этом

В зависимости от величин и «их каскад может работать в различных классах усиления: А, АВ, В, С, Д. В наиболее распространенном классе А работы каскада ОЭ напряжение выбирается обычно таким образом, чтобы в режиме покоя (при =0) рабочая точка (значения и при заданном ) каскада на­ходились на середине передаточной характеристики (точка П.рис. 1.2). Для полу­чения нулевого выходного напряжения в этом режиме , напряжение компенсации выбирается равным напряжению на коллекторе, т.е.

При наличии входного сигнала и через нагрузку начинает протекать ток Если считать, что внутренние сопротивления источни­ков постоянного напряжения равны нулю, то резисторы и для приращений тока оказываются включенными параллельно и уравнение линейной части схемы примет вид

(1.4)

где и - соответственно переменные составляющие тока коллектора и на­пряжения коллектор-эмиттер. Прямая АПВ, построенная по выражению (1.4), на­зывается линией нагрузки по переменному току (или траекторией рабочей точки каскада) и идет круче прямой MN.

Существенный недостаток транзисторов - зависимость их параметров от температуры, что приводит к изменению их выходных характеристик и измене­нию положения рабочей точки на прямой MN, в результате чего может наблю­даться искажение выходного напряжения. Для температурной стабилизации кас­када усиления в схему вводят резистор , реализующий отрицательную обратную связь по току эмиттера (коллектора).

При повышении температуры увеличивается ток и падение напряже­ния на резисторе поэтому напряжение уменьшается, что ведет к уменьшению и почти до первоначального значения.

Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям:

,

,

,

,

,

, (1.5)

где , - амплитудные значения выходного напряжения и тока коллектора;

- начальный ток коллектора, соответствующий максимальной темпе­ратуре;

Схемы усилительных каскадов с ОЭ

- коэффициент усиления транзистора по току.

Сопротивление резистора , на котором выделяется выходное напряжение, выбирают исходя из требуемого усиления входных сигна­лов (обычно для транзисторов малой мощности .

Режим покоя обеспечивается делителем напряжения Rl, R2 (рис. 1.3), параметры кото­рого выбираются из соотношений:

,

,

где - ток делителя Rl, R2.

Напряжение выбирается:

- для германиевых транзисторов;

- для кремниевых транзисторов.

В качестве источника компенсационного напряжения в усилительном каскаде мо­жет быть использован выходной делитель R3, R4 (рис. 1.3, а), параметры которого рассчиты­ваются по формулам:

,

,

,

где - ток делителя R3, R4.

В классе А выходной сигнал воспроизводится полностью с минимальными искажениями (рис. 1.2). Однако этому классу соответствуют наибольшие потери мощности.

При работе каскада в классе В , угол отсечки и на выход передается сигнал только одной полярности (рис. 1.2). Класс В используется для усиления однополярных сигналов и в двухтактных усилителях мощности. В дан­ном классе усиления потери мощности минимальны.

Класс АВ - промежуточный между А и В

В классе С угол

Ключевой режим работы каскада (класс D) наблюдается при больших входных сигналах и рабочая точка захватывает все области передаточной характеристики. Ре­жим характеризуется значительными иска­жениями сигнала (рис. 1.2) и находит приме­нение в импульсной технике при передаче импульсов прямоугольной формы.

Для оценки диапазона изменений входных напряжений, усиливаемых без ис­кажений, используют амплитудную характеристику (Рис.1.4), где и соответственно амплитуды переменных составляющих вы­х одного и входного напряжений каскада.

По линейной части амплитудной характеристики может быть определен ко­эффициент усиления каскада. (Снижение при больших входных сигналах объясняется выходом рабочей точки за пределы линейной части передаточной ха­рактеристики.)

При работе в линейном режиме все основные параметры усилителя (рис. 1.1) , , и могут быть рассчитаны по схеме замещения и обобщенной схеме (рис. 1.5) для переменных составляющих токов и напряжений, полученных путем линеаризации характеристик транзистора (1.1), (1.2) и разложением их в ряд Тей­лора в окрестностях точки покоя. Расчетные формулы приведены в табл. 1, а ти­повые значения параметров - в табл. 2.

При расчете каскадов с входными и выходными делителями напряжений их сопротивления должны быть учтены в схеме замещения.

Приведенная на рис. 1.За схема является схемой УПТ, а каскад , выполнен­ный по схеме рис. 1.3, б - УПС, т.к. разделительные входной С1 и выходной С2 конденсаторы не пропускают постоянную составляющую входного сигнала . В каскадах УПС эмиттерное сопротивление шунтируют конденсатором Сэ, со­противление Xсэ которого на низшей частоте усиливаемого сигнала должно быть на порядок меньше . Это позволяет практически исключить отрицательную об­ратную связь по переменной составляющей входного сигнала и повысить кас­када при сохранении высокой температурной стабильности. По этой причине в УПС из (1.5) выбирают большие значения .