Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Изучение характеристик усилителя на биполярном транзисторе

Методические указания

к лабораторной работе по курсу

"Электротехника и электроника"

для студентов специальностей 220200 и 220400

направления 654600

Электронное издание локального распространения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов – 2006

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составители: Фурсаев Михаил Александрович,

Беляева Юлия Александровна

Под редакцией М.А.Фурсаева

Рецензент А.А.Гурьянов

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Научно-техническая

библиотека СГТУ

тел.: 52-63-81, 52-56-01

http://lib.sstu.ru

Регистрационный

номер 060254Э

© Саратовский государственный

технический университет, 2006

Цель работы: экспериментальное изучение основных электри­ческих параметров и характеристик усилительного каскада на бипо­лярном транзисторе.

Основные понятия

Исследования проводятся на примере усилительного каскада, в котором биполярный транзистор включен по схеме с общим эмитте­ром. Принципиальная схема каскада приведена на рис. 1. Полярность постоянного напряжения, подводимого к клемме Е_к, определя­ется типом транзистора (на схеме рис.1 используется транзистор типа n-р-n). Входное напряжение от задающего генератора подается на клеммы U_BX, усиленное напряжение снимается с клемм U_BЫХ

Рис.1

В состав схемы усилительного каскада, кроме транзистора, вводят следующие элементы:

- разделительные конденсаторы Ср1, и Ср2 (Ср1 обеспечивает развязку задающего генератора от источника постоянного напряжения, но пропускает синусоидальный сигнал от задающего генератора, Ср2 – пропускает только усиленный сигнал в нагрузку;

-резисторы R₁ и R₂ , образующие делительную цепочку, которая обеспечивает питание входной цепи транзистора от источника Е_к и задает точку покоя транзистора;

-резистор в цепи коллектора R_K, с которого снимается уси­ленное переменное напряжение, передаваемое через конденсатор С_р2 в нагрузку (резистор R_Н):

-резистор в цепи эмиттера R_Э, который введен в схему для стабилизации точки покоя на выходной характеристике транзистора в условиях зависимости коллекторного тока от температуры транзистора;

-конденсатор С_Э. шунтирующий резистор R_Э, и тем самым исключающий протекание переменного тока через этот резистор, а, следовательно, исключающий его стабилизирующее действие на пере­мещение рабочей точки в течение периода входного сигнала, необ­ходимого для обеспечения его усиления.

В настоящей лабораторной работе предлагается исследовать передаточные и амплитудно-частотные характеристики усилительного каскада, а также процесс искажения сигнала при усилении.

Передаточной (амплитудной) характеристикой усилителя назы­вается зависимость выходного напряжения от входного напряжения

U_вых = Ф(U_вх).

Кроме того, эту характеристику можно представить как зависимость коэффициента усиления по напряжению от входного напряжения

K_u= U_вых / U_вх = Ф(U_вх).

Характер усиления определяется выбором поло­жения точки покоя на выходной характеристике транзистора, т.е. классом усиления, в котором работает усилитель. Усилитель­ный каскад, схема которого приведена на рис. 1. обычно работает в режиме класса А, при котором точка покоя находится в централь­ной части рабочей области выходной характеристики транзистора.

Передаточная характеристика усилителя, работающего в режиме класса А, приведена на рис. 2. Ее объяснение целесообразно привести на основе графического анализа процесса усиления гармонического сигнала, который иллюстрируется построениями на входной и выходной характеристиках транзистора (рис.3 и 4).

Рис. 2

Рис.3

Рис.4

Точки П на рис. 3 и 4 соответствуют точке покоя. Точки А и В соответствуют максимальному удалению рабочей точки относительно точки покоя при ее перемещении, которое обусловлено наличием входного сигнала с амплитудой U_{вх m} (см. рис. 3), Перемещение рабочей точки на выходной характеристике (рис. 4) происходит по прямой, которая называется линией нагрузки по переменному току. Эта прямая проходит через точку покоя с наклоном к оси тока, тангенс угла которого равен величине сопротивления, на которое нагружен выход транзистора по переменному току

R˜ = R║R=. (1)

Из построений на рис. 3 и 4 следует, что при малом уровне входного сигнала с увеличением амплитуды напряжения U_{вх m} наблюдается увеличение амплитуды выходного напряжения U_{вых m}. Если перемещение рабочей точки происходит на участках характеристик транзистора, где зависимости токов и напряжений можно считать линейными, изменение входного напряжения сопровож­дается пропорциональным изменением выходного напряжения. В этом режиме не наблюдается искажения сигнала при его усилении (переменная составляющая напряжения U_КЭ на рис. 4, как и входное напряжение, изменяется во времени по гармоническому закону). Такой режим усиления называется линейным. В этом случае величина коэффициента усиления по напряжению не зависит от уровня входного сигнала.

Линейный режим усиления имеет место до тех пор, пока точки А и В на рис. 4 не достигнут предельных положений: для точки А - это начальные участки вольт-амперных характеристик, где происхо­дит резкое изменение коллекторного тока при увеличении напряже­ния U_КЭ, а для точки В - это вольт-амперная характеристика, со­ответствующая I_Б = 0. Дальнейшее увеличение входного напряжения не приводит к увеличению амплитуды переменной составляющей U_КЭ, а временная зависимость этой составляющей будет иметь вид усе­ченной синусоиды, искажение выходного сигнала обуславливает появление высших гармоник в его спектре и насыщение амплитуды первой гар­моники, в результате чего с увеличением входного напряжения коэффициент усиления каскада уменьшается, (см. рис. 2). Таким образом, при больших уровнях входного напряжения каскад может перейти в режим нелинейного усиления, в котором происходит искажение усилительного сигнала. При этом в зависимости от положения точки по­коя может наблюдаться искажение формы либо у одной, либо у обеих полуволн выходного сигнала.

Как следует из соотношения (1), наклон линии нагрузки по переменному току зависит от величины сопротивления нагрузки R_Н. Увеличение сопротивления R_Н, сопровождается увеличением угла нак­лона этой линии к оси коллекторного тока, а, следовательно, увеличением амплитуды выходного напряжения и коэффициента усиления. Наибольшее усиление достигается в режиме холостого хода, когда сопротивление R_Н стремится к бесконечности.

Передаточная характеристика снимается для фиксированной частоты входного сигнала. Зависимость усилительных свойств каскада от частоты иллюстрируется амплитудно-частотной характеристикой, которая обычно представляется как зависимость коэффициента усиления каскада от частоты входного сигнала при фиксированном его уровне. На рис. 5 приведен вид этой харак­теристики для усилительного каскада, схема которого представлена на рис. 1.

Полосовые свойства усилителя могут характеризоваться шири­ной рабочего диапазона частот. В идеале в этом диапазоне коэффициент усиления должен оставаться постоянной величиной. Ограничение его как со стороны высоких, так и, со стороны низких частот связано с уменьшением коэффициента уси­ления, что иллюстрируется рис. 5. При этом причины уменьшения усиления на высоких и низких частотах различные.

Рис.5

Рис.6

Ограничение полосы пропускания сигнала в области высоких частот связано с наличием емкости закрытого коллекторного перехода у тран­зистора. Это можно объяснись с помощью эквивалентной схемы усилительного каскада (для переменных составляющих), справедливой для высоких частот, при которых сопротивление конденсаторов С_р1, С_р2 и С_Э пренебрежимо мало. В приведенной на рис.6. эквива­лентной схеме пунктиром отмечена та ее часть, которая относится к транзистору. Из схемы видно, что емкость коллекторного перехода С_к(э) подключена параллельно эквивалентному генератору тока βI_Б. На низких частотах сопротивление емкости С_к(э) велико и большая часть тока генератора βI_Б протекает через сопротивление нагрузки R_Н, которое в несколько раз меньше, чем сопротивление резистора R_к. По мере увеличения частоты сопротивление ем­кости С_к(э) уменьшается, а шунтирующее действие этой емкости уве­личивается. В результате уменьшается величина тока, протекающего через резистор R_Н эквивалентной схемы рис. 6, а, следователь­но, и падение напряжения на резисторе R_Н, являющемся выходным напряжением каскада.

Уменьшение коэффициента усиления в области низких частот связано с наличием емкостей С_р1, С_р2 и С_Э, в схеме каскада. Разде­лительные конденсаторы С_р1, С_р2 по цепи переменного тока включены последовательно с транзистором. При уменьшении частоты их сопротивления увеличиваются, вследствие чего увеличиваются потери напряжения во входных и выходных цепях каскада. Следовательно, уровень переменного напряжения, поступающего на вход транзистора, меньше напряжения на входе усилителя, а уровень переменного напряжения на его выходе меньше, чем на выходе транзистора. При уменьшении частоты также уменьшается шунтирующее действие конденсатора С_Э. Результатом этого является увеличение части переменного тока эмиттера, протекающего через резистор R_Э, что приводит к уменьшению амплитуды перемещения рабочей точки, а, следовательно, и амплитуды выходного напряжения.

Границы рабочего диапазона частот усилителя могут опреде­ляться из условия допустимого уменьшения усиления в полосе, для чего вводится понятие коэффициента частотных искажений. В част­ности, для низкочастотной границы полосы пропускания этот коэф­фициент может быть записан следующим образом

М_Н =, (2)

где и К_uн - коэффициенты усиления, соответствующие средней части полосы пропускания и низкочастотной границе f_Н (см. рис.5). Величина М показывает, во сколько раз уменьшается усиление каскада на частите f_Н по сравнению с усилением в центральной части рабочего диапазона.

Каждый из трех конденсаторов схемы усилительного каскада вносит свою долю в уменьшение величины коэффициента усиления в области низких частот. Поэтому коэффициент М_Н в соотношении (2) можно представить как произведение трех «частных» коэффициентов

М_Н = М_{Н СР1} · М_{Н СР2} · М_{Н СЭ},

где индексы у «частных» коэффициентов указывает на их принадлежность к одному из трех конденсаторов схемы рис.1.