Лабораторно-практическая работа №4 Исследование схем смещения биполярного транзистора

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. По данным предыдущей работы рассчитать цепи смещения усилителя по схеме с общим эмиттером (ОЭ);

2. Собрать рассчитанные схемы, проверив их работу;

3. Сделать выводы.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Схемы смещения необходимы в усилительных схемах для установления положения рабочей точки – величин токов и напряжений на входе и выходе усилителя, присутствующих в нем в отсутствие входного сигнала.

Такими величинами для схемы с ОЭ являются: ток покоя базы I_Б0; напряжение покоя база – эмиттер U_БЭ0; ток покоя коллектора I_К0; напряжение покоя коллектор – эмиттер U_КЭ0.

Смещение по току без ООС создается резистором в цепи базы R_б, который задает величину тока базы на входе транзистора, вызывающего, в свою очередь, падение напряжения на переходе база – эмиттер.

Для рачета резисторов R_К и R_б следует задаться величинами I_Б0, U_БЭ0, I_К0 и U_КЭ0. После этого резистор в цепи коллектора R_К определяется при помощи построения линии нагрузки. С этой целью производится построение выходной характеристики для всего диапазона напряжений коллектор – эмиттер, для заданного значения тока базы I_Б0. Затем, на этой кривой выбирается точка P, соответствующая приблизительно величине U_КЭ0 = U_П/2. После чего через эти точки проводится прямая до пересечения с осью токов. Точка пересечения с осью токов есть величина, равная току насыщения транзистора U_П/R_К, поэтому, определив это значение, можно отыскать требуемую величину резистора R_К.

Расчет резистора R_Б может быть произведен по формуле:

Эта формула следует из записи 2-го закона Кирхгофа для входной цепи.

Смещение по напряжению без ООС создается резисторами R₁ и R₂, соединяющими напряжение питания с землей. При этом падение напряжения на R₂ создает напряжение смещения U_БЭ0, необходимое для возникновения тока базы I_Б0. При расчете резисторов следует учесть, что ток через R₁ должен быть в несколько раз больше тока I_Б0, чтобы положение рабочей точки не изменялось при протекании переменной составляющей тока.

После выбора величины резистора R₁ сопротивление R₂ рассчитывается по следующим формулам:

В 1-й формуле применен 2-й закон Кирхгофа для входной цепи; во 2-й формуле применен 1-й закон Кирхгофа; в 3-й формуле применен закон Ома для участка цепи с резистором R₂.

Резистор в цепи коллектора Rк также определяется при помощи построения линии нагрузки.

Смещение при наличии ООС необходимо для стабилизации положения рабочей точки, что означает ее неизменное положение при воздействии на усилитель различного рода возмущающих факторов, таких как изменение рабочей температуры или колебания питающей сети 220 В / 50 Гц.

Отрицательной обратной связью называется процесс снятия части тока или напряжения с выхода усилителя и возврата его обратно на вход, в противофазе с входным напряжением или током.

Схема ООС работает так. Выходное напряжение U_ВЫХ поступает на цепь ООС с коэффициентом передачи β, имеющим значения от 0,05 до 0,1. Кроме этого, цепь ООС инвертирует величину U_ВЫХ, то есть, изменяет его фазу на 180°. Затем напряжение с выхода цепи ООС складывается с входным напряжением Uвх, после чего на входе усилителя начинает действовать управляющий сигнал U’_ВХ = U_ВХ – βU_ВЫХ, в котором содержится информация о величине выходного напряжения. Это позволяет реализовать процесс саморегулирования в усилителе, который можно пояснить так.

Пусть вследствие каких-либо внешних факторов выходное напряжение повысилось. Это приведет и к повышению входного напряжения, при этом разность этих величин останется практически неизменной.

Схема смещения по току с ООС создается резистором в цепи базы RБ, включенным к выходу транзистора, то есть, между резистором R_К и переходом коллектор – эмиттер. ООС здесь создается входным током базы, зависящим от выходного напряжения коллектор – эмиттер.

Расчет резистора Rб можно произвести по следующей формуле:

Схема смещения по напряжению с ООС аналогична схеме смещения по напряжению без ООС с тем отличием, что в цепи эмиттера присутствует резистор R_Э, создающий ООС по току.

Расчет этой цепи производится так. Сначала определяют величину напряжения смещения на резисторе R₂ согласно 2-му закону Кирхгофа:

Затем, задавшись величиной сопротивления R₁, определяют ток, протекающий через R₁:

Далее, производят расчет тока I₂, протекающего через R₂ и, наконец, величину сопротивления R₂, по формулам (2) и (3).

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Для заданного преподавателем положения рабочей точки рассчитать, собрать и проверить работоспособность схемы смещения по току без ООС, представленную на рис. 4.1.

2. Рассчитать, собрать и проверить работоспособность схемы смещения по току с ООС, представленную на рис. 4.2.

3. Рассчитать, собрать и проверить работоспособность схемы смещения по напряжению без с ООС, представленную на рис. 4.3.

4. Рассчитать, собрать и проверить работоспособность схемы смещения по напряжению с ООС, представленную на рис. 4.4.

Рис. 4.1 Схема смещения по току без ООС

Рис. 4.2 Схема смещения по току с ООС

Рис. 4.3 Схема смещения по напряжению без ООС

Рис. 4.4 Схема смещения по напряжению с ООС

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Все исследованные схемы смещения с кратким описанием принципов их работы.

2. Расчет номиналов сопротивлений, обеспечивающих исследованные схемы смещения.

3. Выводы по работе.

ВЫВОДЫ

1. Цепи смещения обязательны для работы транзисторных усилителей в режиме класса А, поскольку они позволяют установить требуемое положение рабочей точки.

2. Цепи смещения без ООС применяются в усилителях, к которым не предъявляются требования устойчивой работы в широком диапазоне температур или (и) к величине коэффициента усиления по напряжению.

3. Применение цепей смещения, содержащих ООС позволяет обеспечить устойчивую работу усилителей, но снижает их величину коэффициента усиления по напряжению.