- •1. Исследование принципов построения и свойств резистивных усилительных каскадов при их работе в режиме малого сигнала.
- •Часть 1. Исследование принципов обеспечения требуемого начального значения тока iк0.
- •Часть 2. Измерение низкочастотных y – параметров транзистора и их зависимости от положения исходной рабочей точки.
- •Часть 3. Исследование свойств усилительного каскада при различных способах включения транзистора в его схему.
- •Часть 4. Исследование свойств каскадов оэ, ок, об при их работе в условиях отсутствия заземлённости общего провода.
1. Исследование принципов построения и свойств резистивных усилительных каскадов при их работе в режиме малого сигнала.
Часть 1. Исследование принципов обеспечения требуемого начального значения тока iк0.
Общие сведения.
Важнейшими требованиями, предъявляемыми к усилительным каскадам любого типа, являются стабильность и опредёленность их основных свойств, малая зависимость этих свойств от характеристик конкретного усилительного прибора и от уровня воздействия на схему усилительного каскада дестабилизирующих факторов. В качестве дестабилизирующих факторов могут выступать температурные изменения, технологический или другой разброс параметров транзистора.
Основные свойства усилительного каскада при данном схемном построении, в первую очередь, обусловливаются режимом работы его усилительного прибора. Этот режим характеризуется положением исходной рабочей точки (ИРТ), которое определяется средним значением IК0 коллекторного тока и средним значением UКЭ0 напряжения коллектор-эмиттер. Транзистор в каскадах усиления обычно работает в режиме, при котором IК0 практически не зависит от UКЭ0 , а IК0 = IЭ0 . Этот режим работы соответствует условию UКЭ0>Uнач , где Uнач – протяжённость начального участка выходных вольт-амперных характеристик транзистора (рис.1). Здесь и в дальнейшем полярности напряжений и направлений токов указываются применительно к транзисторам n-p-n типа.
В процессе усиления сигналов в результате их воздействия на вход транзистора значения тока IК и напряжения UКЭ изменяются. Точка плоскости выходных вольт-амперных характеристик, связывающая текущие значения IК и UКЭ , называется рабочей точкой (РТ). Считается, что транзистор работает в усилительном режиме, если в процессе усиления сигналов траектория движения РТ не соприкасается с линиями насыщения и отсечки, а именно, выполняются условия UКЭmin>1.1 … 1.2 Uнач ; IКmin>1.1 …1.2 Iнач Линия или траектория, по которой движется рабочая точка в процессе воздействия на каскад усиливаемых сигналов, называется нагрузочной линией, или нагрузочной характеристикой. При чисто резистивном характере нагрузки эта линия представляет собой прямую, проходящую через исходную рабочую точку. Требуемое значение тока IЭ0 обычно задаётся по так называемой схеме эмиттерно-базовой стабилизации (рис.2). При ней потенциал базы UБ0 фиксируется за счёт питания базового вывода транзистора от низкоомной цепи, например с помощью делителя, в котором выполняется условие Iдел>>IБ0. (Здесь и в дальнейшем индексация элементов схем осуществляется в соответствии со схемой лабораторного макета (рис.3)). В эмиттерной цепи транзистора с помощью резистора R8 и протекающего через него тока IЭ0 создаётся разность потенциалов UR8=IЭ0R8.
С точки зрения обеспечения в этой схеме стабильного и определенного тока IЭ0, существенным является то, что в транзисторах разность потенциалов база-эмиттер UБЭ0 в малой степени зависит от тока IЭ0, поскольку эта зависимость приближается по характеру к логарифмической:
UБЭ=mφTln(IK ∕ IОЭ), (1)
где m – параметр, значение которого близко к 1 при малых IК и достигает 3…5 при IК, приближающихся к максимально допустимым; IОЭ – обратный ток насыщения перехода база-эмиттер; φT = 0,026В. Для кремниевых транзисторов, работающих в режиме усиления UБЭ0 = 0,7В, где UБЭ0 – разность потенциалов UБЭ, отвечающая усилительному режиму работы транзистора. Таким образом, можно считать, что в усилительной схеме, организованной на базе кремниевого транзистора, потенциал UБ0 передаётся (транслируется) в эмиттер транзистора за вычетом фиксированного значения UБЭ0 = 0,7В. Благодаря этому разность потенциалов UR8 на эмиттерном резисторе R8 независимо от свойств конкретного и значения тока IК0 определяется соотношением
. (2)
Отклонения ∆IК0 коллекторного тока от ожидаемого значения IК0 определяются возможными вариациями ∆UБЭ из-за температурных изменений и технологического разброса параметров; при этом ∆IК0 = ∆UБЭ ∕ R8, а
∆IК0 ∕ IК0 = ∆UБЭ ∕ UБЭ .
Таким образом, с точки зрения обеспечения стабильности и определённости тока IК0, малой зависимости этого тока от свойств конкретного транзистора и возможных температурных изменений, желательно, чтобы в схеме рис.2 выполнялись следующие соотношения UЭ0 >> ∆UБЭ, Iдел>>IБ0, IБ0R19 << UБ0.
Порядок выполнения первой части работы.
В ходе выполнения лабораторных исследований определите зависимость разности потенциалов UБЭ от тока IЭ, при этом сопоставьте ход данной зависимости с аналогичной, описываемой соотношением (1) для случая m=1 и IОЭ, вычисленной по формуле
IОЭ= IЭ exp(-UБЭ ∕φT), (3)
где IЭ, UБЭ – значения тока и напряжения, отвечающие начальному участку измеренной зависимости UБЭ=f(IК), когда m=1 (S3 – 1). В ходе исследований также оцените ход зависимости m от тока IЭ0, при этом текущие значения m при различных IЭ и UБЭ вычислите по формуле
m= UБЭ ∕ ( φT ln(IЭ ∕ IОЭ)), где IЭ = UR8 ∕ R8. (4)
1. Исследуйте зависимость постоянных напряжений на выводах транзистора от тока эмиттера IЭ, для этого при ряде значений резистора R4 (положениях 1…7 переключателя S3) схемы рис.3 с помощью цифрового вольтметра постоянного тока измерьте значения потенциалов UБ0, UК0, UЭ0 в точках а, б и в (S6 – 1, 2 и 3). Измерения осуществите при S4 – 5, S7 – 1. Положение остальных переключателей произвольное.
2. По результатам измерений п.1 вычислите значения тока IЭ = UR8 ∕ R8 и разности потенциалов UБЭ= UБ0 - UЭ0. Результаты измерений представьте в виде графика зависимости UБЭ=f(IЭ), а также графиков, соответствующих проведённым по формулам (1), (3) и (4) вычислениям.