Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Практикум
.pdf
51
бh 21
ϕ
бh
21
ϕ
б
h
21
ϕ
)(
)
()
(
21
ωω
ω
j
I
jI
jh
бкб
=
б
h
f
21
( )
б
hh
f
21э 21
21πτ=
( )
б
h
б
h
h
h
h
21
б 21
э 21
э 21
21
1
1
τ
τ
τ
⋅+=
−
=
рh
э
ττ
=
21
б
h
f
21
э
h
f
21
1
1
)(
2
21
21
21
=
+
=
э
h
T
э
э
f
f
h
jh
ω
бhэhэhT
hfhfhff
бэ
21 21
2
21
21э 21 21
1 =≈−=
Причиной резкого уменьшения коэффициента передачи тока базы в схеме
с общим эмиттером при увеличении частоты в основном является не уменьшение коэффициента h
, а увеличение фазового угла
21б
между эмиттерным и
коллекторным токами. На низких частотах можно считать, что ток İк совпадает
по фазе с током İэ (см. рис. 5.6, а).
Ток базы İб = İэ – İк мал, а коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером велик. С ростом частоты ток İк несколько уменьшается вследствие уменьшения коэффициента h
, а фазовый сдвиг
21б
между токами İк и İэ
увеличивается (рис. 5.6, б). Поскольку должно выполняться условие Iб = Iэ – Iк,
увеличение фазового угла
приводит к увеличению модуля базового тока İб.
Вследствие этого коэффициент передачи тока базы
с рос-
том частоты уменьшается.
Иногда вместо частоты
ной времени коэффициента передачи тока базы:
используют величину, называемую постоян-
.
Из выражения (5.10) следует
. (5.17)
Учитывая выражение (5.9), получаем, что постоянная времени коэффициента передачи тока базы равна времени жизни дырок в базе:
.
Граничной называют частоту, на которой модуль коэффициента передачи
тока базы в схеме с общим эмиттером становится равным единице. Эту частоту
обозначают fгр или fТ (см. рис. 5.4).
Граничная частота fТ может быть выражена через предельные частоты
и
. Из формулы (5.13), полагая f = fТ, получаем
. (5.18)
Из уравнения (5.17) следует, что
. (5.19)
Из-за допущений, принимаемых при выводе формулы (5.5), условие
(5.19) в ряде случаев оказывается слишком приближенным. Исследования показывают, что более приемлемым является соотношение
52
( )
Tбh
fmhf
б
21
1
21
+=
э
h
f
21
T
измэ
f
fh
=
21
( )
э
hизм
ff
21
4
3−
>
э
hT
ff
21
<
б
h
f
21
, (5.20)
где m = 0,2 – 0,6 – коэффициент, зависящий от конструкции транзистора.
Кроме того, обнаружено, что и в области частот f > (3 – 4)
ние модуля коэффициента передачи тока базы |h
(jω)| в схеме с общим эмит-
21э
произведе-
тером на частоту измерения есть величина постоянная и равная fТ, т.е.
. (5.21)
Условие (5.20) позволяет, воспользовавшись приводимым в справочниках значением модуля |h
частоту fТ. Поскольку
частотах, превышающих
| , измеренного на частоте
21э
, транзисторы почти никогда не применяются на
.
, определить
5.4. Задачи и упражнения
5.1. Изобразите схемы включения с общей базой для транзисторов типов
p-n-p и n-p-n. Покажите полярности питающих напряжений для случаев работы
транзистора:
а) в активном режиме;
б) в режиме отсечки;
в) в режиме насыщения;
г) в инверсном режиме.
На обеих схемах показать направления токов эмиттера IЭ, коллектора IК,
базы IБ для всех режимов работы.
5.2. Транзистор типа p-n-p включен по схеме с общим эмиттером. Пояснить, в каком режиме работает транзистор, если:
а) напряжение база-эмиттер UБЭ = –0,4 В и напряжение коллектор-эмиттер
UКЭ = –0,3 В;
б) напряжение UБЭ = –0,4 В и напряжение UКЭ = –10 В;
в) напряжение UБЭ = 0,4 В и напряжение UКЭ = –10 В.
5.3. Найти изменение коэффициента передачи тока базы и изменение фазы выходного тока транзистора ОЭ на частоте 150 кГц, если граничная частота
этого транзистора для схемы ОЭ составляет 100 кГц.
5.4. По входным характеристикам транзистора (рис. 5.9, а) определить
параметры h
11
и h
Э
в рабочей точке с напряжениями UБЭ = 350 мВ и UКЭ = 5 В.
Э
12
53
Рис. 5.10. Т-образная схеме
замещения транзистор в
Рис. 5.11. Формальная эквивалентная
схема в системе h параметров
Рис. 5.9. Входные (а) и выходные (б) характеристики
транзистора для схемы с общим эмиттером
5.5. Пользуясь выходными характеристиками транзистора для схемы с
общим эмиттером (рис. 5.9, б) определить параметры h
21
и h
Э
в рабочей точке
Э
22
с напряжением UБЭ = 25 В и током базы 300 мкА.
5.6. Транзистор в Т-образной схеме замещения (рис. 5.10) имеет следующие параметры: α = 0,993; rК = 1,5 МОм; rБ = 200 Ом; rЭ = 20 Ом. Определить h параметры для схемы ОБ.
5.7. По известным h-параметрам транзистора ОБ, представленного в виде четырехполюсника (рис. 5.11), найти дифференциальные параметры его Т-
образной схемы замещения. Дано: h
= 30 Ом; h
Б
11
= 0,97; h
Б
21
= 1 мкСм; UКБ =
Б
22
–5 В; IЭ = 1 мА.
5.8. Транзистор характеризуется параметрами: h
h
= 0,98; h
Б
21
= 1 мкСм. Определить все физические параметры соответст-
Б
22
вующей схемы замещения.
5.9. На рис. 5.12 изображены входные и выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером. Требуется построить характеристику передачи тока IК = f(IБ) при UКЭ = –5 В = const и характеристику передачи тока IК =
f(UБЭ) при UКЭ = –5 В = const.
= 25 Ом; h
Б
11
= 2·10-4;
Б
12
54
Рис. 5.12. Входные (а) и выходные (б) характеристики
транзистора в схеме с общим эмиттером
5.10. Транзистор имеет следующие значения h-параметров: h
h
= 0,8 мкСм; h
Б
22
=20 Ом; h
Б
11
= 5·10-4. Определить собственные параметры в
Б
12
= 60;
Э
21
Т-образных схемах замещения для транзистора, включенного по схеме с общей
базой и общим эмиттером.
5.5. Расчет простейшего усилителя на биполярном транзисторе
Усилители на биполярных транзисторах (БТ) представляют собой один
или несколько последовательно соединенных усилительных каскадов, в которых транзистор может быть включен по различным схемам: с общей базой
(ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) или с общим коллектором (ОК). На практике
наиболее широко применяется усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 5.13), так как он обеспечивает максимальное усиление по мощности и является единственной из схем, которая
обеспечивает усиление и по току и по напряжению.
Схема такого усилительного каскада приведена на рис. 5.14.
Рис. 5.13. Схема включения Рис. 5.14. Усилительный каскад
БТ с ОЭ на БТ
55
Данная схема усилительного каскада отличается от схемы включения биполярного транзистора наличием в цепи базы источника входного сигнала ивх, а
в цепи коллектора сопротивления нагрузки (или сопротивления в цепи коллектора) RК. Кроме того, схема включает в себя сопротивление в цепи базы RБ (которое задает ток базы IБ и обеспечивает тем самым требуемый режим работы
транзистора) и несколько конденсаторов, которые выполняют различные функции: блокировочные конденсаторы С
бл1
и С
шунтируют (блокируют) источ-
бл2
ники питания ЕБ и ЕК по переменному току, а разделительный конденсатор Ср
развязывает (разделяет) соседние усилительные каскады по постоянному току.
Для обеспечения линейного (неискаженного) усиления входного сигнала
усилительным каскадом, изображенным на рис. 5.10, на практике применяется
графоаналитический расчет, который предусматривает наличие входных и выходных статических характеристик биполярного транзистора, взятых из справочника по полупроводниковым приборам.
Пример графоаналитического расчета усилительного каскада на биполярном транзисторе представлен на рис. 5.15. Он включает в себя графические построения входной и выходной рабочих характеристик (которые представляют
собой нагрузочные прямые на входных и выходных статических характеристиках), передаточной динамической характеристики (зависимость тока коллектора IК от напряжения Uбэ и эпюр входных и выходных токов и напряжений: iвх,
i
, ивх , и
вых
. Кроме графических построений графоаналитический расчет пре-
вых
дусматривает определение по графикам и аналитический расчет основных параметров и элементов схемы усилительного каскада.
Рис. 5.15. Пример графоаналитического расчета усилителя на БТ
56
Основой графоаналитического расчета является построение входной и
выходной рабочих характеристик (нагрузочных прямых). Наиболее простой и
понятной является процедура построения выходной рабочей характеристики,
которая начинается с анализа выходной цепи транзисторного каскада и записи
в соответствии со вторым законом Кирхгофа равенства:
Ек = Uкэ + URк = Uкэ + IкRк, (5.22)
из которого следует выразить ток коллектора I
к
Iк = (Ек - Uкэ) / Rк (5.23)
и приравнять поочередно в этом выражении Iк и U
к нулю. При Iк = 0 на оси х
кэ
получается точка Uкэ = Ек. При Uкэ = 0 на оси у получается точка Iк = Ек/Rк.
Затем провести через эти две точки прямую линию, которая и будет являться выходной рабочей характеристикой.
Точки пересечения рабочей и статической выходных характеристик являются рабочими точками.
Построение входной рабочей характеристики аналогично выходной, а
выражение отличается только наличием входного сигнала ивх(t):
Еб = Uбэ + IбRб + ивх(t), (5.24)
из которого выражается ток базы I
б
Iб = (Еб – Uбэ – ивх(t))/Rб. (5.25)
Таким образом получается три входные рабочие характеристики: средняя
(при ивх(t) = 0), верхняя (при ивх(t) = Uвх, т.е. положительная полуволна синусоиды) и нижняя (при ивх(t) = - Uвх, т.е. отрицательная полуволна синусоиды).
При построении эпюр токов и напряжений следует выдерживать только
одно правило – период синусоиды на всех эпюрах должен быть одинаковым.
Определение значений основных параметров усилительного каскада Uвх,
U
вых
, Iвх, I
и др. производится с помощью линейки по соответствующим осям
вых
токов и напряжений.
5.5. Методика графоаналитического расчета усилителя
на транзисторе
1. Выбор типа биполярного транзистора.
По исходным данным индивидуального задания, к которым относятся:
полярность и напряжение источника питания в цепи коллектора Ек; диапазон
частот входного сигнала: f
мин
… f
; обеспечение линейного (неискаженного)
макс
усиления сигналов, то есть
57
ивх(t) = Uвхsin(2πft) и и
(t) = U
вых
sin(2πft)
вых
выбрать тип биполярного транзистора таким образом, чтобы:
– структура БТ соответствовала бы полярности источника питания Ек ;
– предельная частота усиления БТ в схеме с ОЭ f
вочнике приведено значение предельной частоты для схемы с ОБ f
следует разделить на h
21эмакс
, а затем полученное значение сравнить с f
– максимальное допустимое напряжение коллектор-эмиттер U
h21э
> f
(Если в спра-
макс
h21б
макс
кэмакс
, то его
);
> Ек, а
графики выходных характеристик в справочнике приведены для максимальных
значений Uкэ ≈ Ек.
2. Выписать из справочника по полупроводниковым приборам основные
параметры выбранного транзистора:
– структура транзистора (р-п-р или п-р-п);
– предельная частота усиления транзистора в схеме с ОЭ – f
– коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ – h
21э
;
– максимальное допустимое напряжение коллектор-эмиттер – U
– максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе – Р
h21э;
кмакс
.
кэмакс
;
3. Перерисовать из справочника по полупроводниковым приборам вход-
ные и выходные статические характеристики выбранного транзистора.
4. Расчет выходной цепи усилительного каскада.
Для расчета основных параметров и элементов выходной цепи усилительного каскада необходимо в первую очередь построить выходную рабочую
характеристику, используя частично выражение (5.23) и помня простое правило
– любую прямую можно построить по любым двум точкам.
4.1. Отметить на оси х выходной статической характеристики точку Uкэ =
Ек (см. рис. 5.15).
4.2. Для выбора оптимальной рабочей точки следует выполнить два условия: первое – для обеспечения линейного усиления необходимо, чтобы размах
амплитуды выходного напряжения (синусоиды) в обе стороны относительно
этой точки был неискаженным (т.е. желательно, чтобы напряжение коллектор-
эмиттер покоя U
≈ 0,5Ек). А для второго условия следует учесть, что для гра-
кэп
фоаналитического расчета усилителя требуется три ветви выходных характеристик (например, при IБ1, IБ2 и IБЗ или IБ2, IБ3 и I
или I
Б4
, IБ4 и IБ5 и т.д.). Однако,
Б3
самая нижняя ветвь (т.е. при IБ = IБ1,), как правило, не выбирается, т.к. на входной статической характеристике при IБ = IБ1 наблюдается нелинейность, и усилитель не обеспечивает линейного (неискаженного) усиления.
Поэтому для обеспечения линейного усиления и экономии потребляемой
мощности, как правило, выбираются вторая, третья и четвертая ветви характеристики, при этом центральная из них (т.е. при IБ = IБЗ) соответствует случаю,
когда ивх(t) = 0, т.е. току базы покоя (IБП = IБЗ).
58
Таким образом, для выбора оптимальной рабочей точки необходимо восстановить перпендикуляр из точки U
= I
и обозначить точку пересечения рабочей точкой А.
БЗ
= 0,5Ек до ветви характеристики при IБП
кэп
4.3. Построить выходную рабочую характеристику по двум точкам: по
точке на оси х Uкэ = Ек оптимальной рабочей точке А на характеристике при IБП
= IБЗ
4.4. Определить по графику и обозначить на оси у ток коллектора покоя
IКП, для чего провести из рабочей точки А перпендикуляр к оси у.
4.5. Рассчитать сопротивление в цепи коллектора Rк, пользуясь выражением (5.23) для условия Uкэ = 0, т.е.
где I
RК = Ек / I
- точка пересечения выходной рабочей характеристики с осью у.
кмакс
кмак
,
4.6. Выбрать по графику из условия линейного усиления амплитуду входного тока Iвх = ∆IБ = IБ3 - IБ2.
4.7. Обозначить точки пересечения выходной рабочей характеристики с
ветвями статической характеристики для IБ = IБ4 и IБ = IБ2 соответственно точками В и С.
4.8. Провести из точек В и С перпендикуляры к осям х и у, определив тем
самым максимальные и минимальные токи и напряжение при подаче на базу
транзистора входного сигнала с амплитудой входного тока Iвх = ∆IБ.
5. Расчет входной цепи усилительного каскада.
Расчет входной цепи усилительного каскада усилителя несколько отличается от расчета выходной цепи, так как напряжение источника питания в цепи
базы ЕБ неизвестно и его также надо определить с помощью графоаналитического расчета.
5.1. Отметить на оси у входной статической характеристики точку IБ = I
БП
(см. рис. 5.15) и провести из этой точки перпендикуляр до пересечения с графиком. Точку пересечения обозначить точкой А’ и опустить из нее перпендикуляр
на ось х.
5.2. Определить по графику и обозначить на оси х значение напряжения
база-эмиттер покоя U
и рассчитать сопротивление RБЭ по постоянному току
бэп
по формуле
RБЭ = U
бэп
/ Iбп.
5.3. Определить значение сопротивления в цепи базы RБ с учетом того,
что условие согласования внутреннего сопротивления источника входного сигнала (R
) с входным сопротивлением транзистора (RБЭ) имеет вид: R
ист
= RБЭ
ист
В данной схеме усилительного каскада сопротивление RБ можно считать
аналогом R
, а, следовательно
ист
RБ = RБЭ .
59
5.4. Рассчитать значение падения напряжения на сопротивление RБ по
формуле
URб = IбпRБ
5.5. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для входной цепи при
условии ивх(t) = 0 определить значение напряжения источника питания в цепи
базы Е
Б
Е
= U
Б
+ URб
бэп
и обозначить точку на оси х: Uбэ = ЕБ.
5.6. Построить входную рабочую характеристику по двум точкам: по точке на оси х Uбэ = ЕБ и рабочей точке А' на статической входной характеристике.
5.7. Обозначить на входной характеристике точку В' (для IБ = IБ4) и точку
С' (для IБ = IБ2) и провести через них еще две входные рабочие характеристики,
которые будут параллельны построенной.
5.8. Обозначить и определить с помощью линейки амплитуду входного
напряжения Uвх с учетом того, что она соответствует расстоянию на оси х между средней и одной из крайних рабочих характеристик. Если значения Uвх относительно точки UБЭ = ЕБ - неодинаковые, то их следует усреднить, т.е.
Uвх = (U
вх1
+ U
вх2
)/2.
6. Построение передаточной динамической характеристики.
Передаточная динамическая характеристика позволяет легко построить и проанализировать форму выходных токов и напряжений в случае изменения амплитуды входного сигнала.
6.1. Провести из точек А', В' и С' пунктирной линией вверх перпендикуляры, а из точек А, В и С (которые соответствуют этим же токам базы) параллельные линии влево до пересечения их с этими перпендикулярами.
6.2. Обозначить точки пересечения соответствующих пунктирных линий
(для равных IБ) соответственно точками А", В" и С".
6.3. Соединить плавной кривой точки А'', В" и С" и продолжить эту кривую до начала координат.
7. Построить эпюры токов и напряжений: iвх, ибэ, i
вых
, и
(см. рис. 5.15),
вых
учитывая, что период синусоиды на всех эпюрах должен быть одинаковым. На
построенных эпюрах обозначить и определить значения Iвх, I
вых
и U
, причем
вых
(как и при определении значения Uвх) , если значения относительно точек покоя
окажутся неодинаковыми, то их следует усреднить.
60
8. Рассчитать значения коэффициентов усиления по току КI, по напряжению КU и по мощности КР по соответствующим формулам:
КI = I
вых/Iвх
, КU = U
вых/Uвх
, КР = КI КU.
Сравнить полученное значение КI со справочным значением коэффициен-
та усилением по току h
(или β) и сделать для себя устные выводы о соотно-
21Э
шении значений этих двух величин.
9. Рассчитать основные энергетические показатели усилительного каскада на биполярном транзисторе, к которым относятся:
– потребляемая мощность Р0;
– выходная (полезная) мощность Р
вых
;
– мощность, рассеиваемая резистором РRк
– мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк;
– коэффициент полезного действия усилителя η, по соответствующим
формулам:
Р0 = IкпEк, Р
= 0,5 I
вых
вых
⋅
U
,
вых
РRк = I
2
, Рк =P0 – (P
кпRк
+ PR,),
вых
η
= (Р
вых/P0
)⋅100 % .
Сравнить полученное значение Рк со справочным значением Р
условие Рк < Р
не выполняется, то необходимо уменьшить значение I
кмакс
кмакс
и, если
и
БП
повторить расчет или же выбрать другой тип транзистора с более высоким значением Р
кмакс
.
10. Рассчитать значения емкостей конденсаторов С
бл1
, С
и Ср, исходя из
бл2
условий:
х
Сбл1
= 1/(2πf
мин Сбл1
) << RE,
хСр = 1/(2πf
мин Ср
) << R
Н
где f
– минимальная частота входного сигнала (см. исходные данные);
мин
RE – внутреннее сопротивление источников питания Ек и ЕБ;
RН – сопротивление нагрузки (или же входное сопротивление сле-
дующего каскада).
Обычно применяют RE = RН ≈ 1 кОм, а значение неравенства «<<» (т.е. во
много раз меньше), равное 0,1 от указанного значения сопротивления резистора. В этом случае получается
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]