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 I_К0 коллекторного тока и сред­ним значением U_КЭ0 напряжения коллектор-эмиттер. Транзистор в каскадах усиления обычно работает в режиме, при котором I_К0 практически не зависит от U_КЭ0 , а I_К0 = I_Э0 . Этот режим работы соответствует условию U_КЭ0>U_нач , где U_нач – 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 I_К и напряжения U_КЭ изменяются. Точка плоскости вы­ходных вольт-амперных характеристик, связывающая текущие значения I_К и U_КЭ , 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 U_КЭmin>1.1 … 1.2 U_нач ; I_Кmin>1.1 …1.2 I_нач 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 I_Э0 обычно задаётся по так называемой схеме эмит­терно-базовой стабилизации (рис.2). При ней потенциал базы U_Б0 фиксиру­ется за счёт питания базового вывода транзистора от низкоомной цепи, например с помощью делителя, в котором выполняется условие I_дел>>I_Б0. (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 I_Э0 создаётся разность потенциалов U_R8=I_Э0R8.

С точки зрения обеспечения в этой схеме стабильного и определенного тока I_Э0, существенным является то, что в транзисторах разность потенциалов база-эмиттер U_БЭ0 в малой степени зависит от тока I_Э0, поскольку эта зависи­мость приближается по характеру к логарифмической:

U_БЭ=mφ_Tln(I_K ∕ I_ОЭ), (1)

где m – параметр, значение которого близко к 1 при малых I_К и достигает 3…5 при I_К, приближающихся к максимально допустимым; I_ОЭ – обратный ток на­сыщения перехода база-эмиттер; φ_T = 0,026В. Для кремниевых транзисторов, работающих в режиме усиления U_БЭ0 = 0,7В, где U_БЭ0 – разность потенциалов U_БЭ, отвечающая усилительному режиму работы транзистора. Таким образом, можно считать, что в усилительной схеме, организованной на базе кремниевого транзистора, потенциал U_Б0 передаётся (транслируется) в эмиттер транзистора за вычетом фиксированного значения U_БЭ0 = 0,7В. Благодаря этому разность потенциалов U_R8 на эмиттерном резисторе R8 независимо от свойств конкрет­ного и значения тока I_К0 определяется соотношением

. (2)

Отклонения ∆I_К0 коллекторного тока от ожидаемого значения I_К0 опреде­ляются возможными вариациями ∆U_БЭ из-за температурных изменений и тех­нологического разброса параметров; при этом ∆I_К0 = ∆U_БЭ ∕ R8, а

∆I_К0 ∕ I_К0 = ∆U_БЭ ∕ U_БЭ .

Таким образом, с точки зрения обеспечения стабильности и определённо­сти тока I_К0, малой зависимости этого тока от свойств конкретного транзистора и возможных температурных изменений, желательно, чтобы в схеме рис.2 вы­полнялись следующие соотношения U_Э0 >> ∆U_БЭ, I_дел>>I_Б0, I_Б0R19 << U_Б0.

Порядок выполнения первой части работы.

В ходе выполнения лабораторных исследований определите зависимость разности потенциалов U_БЭ от тока I_Э, при этом сопоставьте ход данной зависи­мости с аналогичной, описываемой соотношением (1) для случая m=1 и I_ОЭ, вы­численной по формуле

I_ОЭ= I_Э exp(-U_БЭ ∕φ_T), (3)

где I_Э, U_БЭ – значения тока и напряжения, отвечающие начальному участку из­меренной зависимости U_БЭ=f(I_К), когда m=1 (S3 – 1). В ходе исследований также оцените ход зависимости m от тока I_Э0, при этом текущие значения m при раз­личных I_Э и U_БЭ вычислите по формуле

m= U_БЭ ∕ ( φ_T ln(I_Э ∕ I_ОЭ)), где I_Э = U_R8 ∕ R8. (4)

1. Исследуйте зависимость постоянных напряжений на выводах транзи­стора от тока эмиттера I_Э, для этого при ряде значений резистора R4 (положениях 1…7 переключателя S3) схемы рис.3 с помощью цифрового вольтметра постоянного тока измерьте значения потенциалов U_Б0, U_К0, U_Э0 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 I_Э = U_R8 ∕ R8 и разности потенциалов U_БЭ= U_Б0 - U_Э0. Результаты измерений представьте в виде графика зависимости U_БЭ=f(I_Э), а также графиков, соответствующих проведён­ным по формулам (1), (3) и (4) вычислениям.