Усилительные каскады на биполярных транзисторах (90

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова Кафедра радиофизики

К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова

Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Методические указания

Рекомендовано Научно-методическим советом университета

для студентов, обучающихся по специальностям Радиофизика и электроника, Физика и направлению Телекоммуникации

Ярославль 2007

1

УДК 621.375

ББК З 846я73

А 86

Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного издания. План 2007 года

Рецензент

кафедра радиофизики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова

Артемов, К.С. Усилительные каскады на биполярных

А 86 транзисторах: метод. указания / К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. – 40 с.

В методических указаниях излагаются основы теории транзисторных усилительных устройств. Данные методические указания включают три лабораторные работы и задание по расчету усилительных каскадов.

Предназначены для студентов, обучающихся по направлению 210400 Телекоммуникации и специальностям 010801 Радиофизика и электроника, 010701 Физика (дисциплины «Основы схемотехники», «Аналоговая и цифровая электроника», «Полупроводниковая электроника», блок ОПД, ДС), всех форм обучения.

УДК 621.375

ББК З 846я73

♥Ярославский государственный университет, 2007

♥К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова, 2007

2

Краткая теория

Транзистор (Т) как элемент схемы представляет собой активный трехполюсник, имеющий три внешних электрода: эмиттер, коллектор и базу. В электронных схемах Т используют как четырехполюсник. В зависимости от того, какой из трех электродов транзистора оказывается общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения Т и три схемы усилительных каскадов:

1)схема с общим эмиттером (ОЭ);

2)схема с общей базой (ОБ);

3)схема с общим коллектором (ОК).

При рассмотрении работы Т в усилительных схемах обычно речь идет о работе с малыми сигналами. Сигнал считается малым, если при его изменении в два раза величина измеряемого параметра (например, коэффициента передачи по напряжению) остается неизменной в пределах точности измерения. При этом можно считать характеристики триода (в области перемещения рабочей точки) прямолинейными, а триод может быть представлен эквивалентной схемой, содержащей линейные элементы цепи и источники энергии.

Необходимыми элементами схемы любого каскада являются цепи смещения, определяющие режим работы Т по постоянному току (рабочую точку Т в области линейных участков вольтамперных характеристик Т). К таким элементам в общем случае относятся резисторы в цепях базы ( Rб), эмиттера ( Rэ) и коллектора

( Rк ), а также источники питания постоянного тока ( Ек, Еэ, Еб ). В

конкретных схемах задания рабочей точки используются не все указанные элементы.

Для анализа схем усилительных каскадов применяется хорошо разработанная теория четырехполюсников. Наиболее удобной является система h-параметров, так как при их практическом определении для Т может быть достигнута наибольшая точность. Системе h -параметров соответствует эквивалентная схема, делающая расчет каскадов более наглядным.

3

Для практических расчетов схем на транзисторах нашли широкое применение также эквивалентные схемы, в которые входят физические параметры Т.

Iэ rэ

Э

б)

Рис. 1. Эквивалентные схемы транзисторов ОБ (а) и ОЭ (б)

На рис. 1 показаны:

rэ– дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода; rб – омическое сопротивление базы;

rк – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОБ, rк* – то же для схемы ОЭ (рис. 1,б);

α– статический коэффициент передачи тока эмиттера;

β– статический коэффициент передачи тока базы;

μ эк – коэффициент обратной связи Т по напряжению.

4

Связь между некоторыми параметрами схем ОБ и ОЭ:

В радиоэлектронике находят применение как одиночные каскады, так и многокаскадные усилительные устройства, или просто усилители. Усиливаемыми параметрами являются ток, напряжение или, в конечном итоге, мощность. По роду усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов. Существует деление усилителей на усилители постоянного тока и усилители переменного тока. Классифицируют усилители также по частотным диапазонам (низкой, высокой частоты, широкополосные, избирательные), по назначению и пр.

Усилители характеризуются усилительными, частотными и временными параметрами. Рассмотрим основные параметры.

1. Коэффициент передачи – отношение выходного сигнала к однородному входному: коэффициенты передачи по напряжению KU (отношение напряжения на выходе к ЭДС генератора или на-

пряжению на входе), току KI (отношение тока в нагрузке к току генератора или входному), мощности KP . Если коэффициент

передачи больше единицы, его называют коэффициентом усиления. Коэффициенты передачи выражают в относительных единицах или в логарифмических единицах – децибелах [дБ]:

KU = 20lg(Uвых / Eг) , KI = 20lg(Iн / Iг) , KP = 10lg(Pвых / Pвх) .

2.Входное сопротивление – сопротивление, которое оказывает усилитель действию генератора сигнала, являясь для него нагрузкой.

3.Выходное сопротивление – сопротивление усилителя по отношению к нагрузке, для которой усилитель рассматривается как генератор, т. е. источник сигнала.

На рис. 2 дана схема замещения (эквивалентная схема) усилителя, показывающая параметры KU , Rвх, Rвых и содержащая источник

сигнала (генератор э.д.с.) с сопротивлением RГ и нагрузку RН .

5

Частоты, на которых коэффициент передачи равен KU20 , назы-

ваются граничными – fн и fв.

Для области низших частот: fн – нижняя граничная частота; 2πfн = ωн – циклическая нижняя граничная частота; комплексный

коэффициент передачи, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи KU :

где KU0 – коэффициент передачи по напряжению в области

верхняя граничная частота; комплексный коэффициент передачи по напряжению, его АЧХ и ФЧХ:

КU (t) = КU0 (1 − e−t /τ в ) – переходная характеристика KU .

5. Фазочастотная характеристика – зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным сигналом (например, между напряжением) от частоты. Пример фазочастотной характеристики показан на рисунке 3, б.

7

6.Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рис. 3, г).

7.Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения при подаче на вход скачка напряжения

(рис. 3, в).

На рисунке показана переходная характеристика. Максимальный коэффициент KU условно принят за единицу

(нормирован). Искажение в области малых времен характеризуется временем установления t у, а искажение в области больших времен

– спадом плоской вершины .

8. Коэффициент нелинейных искажений – корень квадратный отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала, появляющихся из-за нелинейных искажений (нелинейности вольтамперной характеристики усилительного элемента), к полной выходной мощности.

9. Коэффициент гармоник – корень квадратный из отношения мощностей всех гармоник выходного сигнала (кроме первой) к мощности первой гармоники:

где Pn – мощность n–й гармонической составляющей выходного сигнала; Unm , Inm – амплитуды напряжений и тока n–й гармонической составляющей выходного сигнала.

8

10. Коэффициенты частотных искажений:

Описание лабораторной установки

Лицевая панель лабораторного стенда, включающая его упрощенную схему и необходимые вспомогательные элементы, представлена на рис. 4. Любая из исследуемых схем транзисторных усилителей может быть построена подключением к выводам транзистора соответствующих пассивных элементов с помощью переключателей S1– S6 . Лабораторный стенд, помимо исследуемого устройства, включает в себя генератор входного сигнала и мультиметр, позволяющий измерять напряжения в контрольных точках каждого из исследуемых усилителей.

Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и ее значение. Генератор входного сигнала может формировать синусоидальный и треугольный сигналы и периодическую последовательность прямоугольных и пилообразных импульсов. Частота сигнала может дискретно изменяться с помощью соответствующих кнопок, расположенных на лицевой панели лабораторного стенда. Амплитуда сигнала дискретно регулируется с помощью соответствующего аттенюатора. В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам. При этом с помощью соответствующих кнопок управления каждый канал осциллографа может независимо подключаться к любой контрольной точке.

9