2011_3967

чив правый делитель (по схеме рис. 2.3) и определить ∆Iк(0)1 ∆Eп и

при Еп1 от номера схемы.

13. Рассчитать S(Iк0) для каждой схемы, используя параметры первого транзистора. Построить зависимость S(Iк0) от номера схемы.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назначение цепей смещения.

2.Как изменятся входные характеристики транзистора при увеличении температуры?

3.Поясните, что за токи IКБО и IКЭО и почему они различаются?

4.Какие режимы работы транзистора Вы знаете?

5.Чем ограничивается выбор положения рабочей точки усили-

21

тельного каскада на выходных характеристиках транзистора?

6.Параметрический метод стабилизации. Его достоинства и недостатки.

7.Поясните, как осуществляется стабилизация режима работы

всхемах, показанных в таблице.

8.Назовите причины, вызывающие нестабильность режима работы каскадов на биполярных транзисторах.

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с работой, назначением элементов и анализом работы усилительного каскада на биполярном транзисторе.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Усилительные каскады классифицируются в соответствии с тем, какой из электродов активного элемента является общим для входной и выходной цепи. В транзисторной электронике используются схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

Рис. 3.1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

22

В данной работе рассматривается простейший усилительный каскад с общим эмиттером, содержащий всего один усилительный элемент (см. рис. 3.1), и определяются его основные пара-

метры:KU – коэффициент усиления по напряжению, KP – коэффициент усиления по мощности, Rвх и Rвых – входное и выход-

ное сопротивление соответственно. Эти параметры характеризуют усилительные свойства каскада, его взаимодействие с нагрузкой и источником входного сигнала.

Для определения упомянутых параметров необходимо знать изменения токов и напряжений, возникающие при действии входного сигнала. В последующем изложении мы будем пренебрегать нелинейными искажениями, считая, что переменные составляющие токов и напряжений достаточно малы. Это позволяет описывать зависимости переменных составляющих от входного сигнала с помощью линейных функций.

Рассмотрим наиболее распространенную схему усилительного каскада с общим эмиттером, показанную на рис. 3.1. В этой схеме

резисторы R1 , R2 и Rэ задают начальное смещение перехода эмиттер-база транзистора; Rк является нагрузкой каскада по постоянному току, а параллельное соединение Rк и Rн – нагрузкой по переменному току. Цепочки C1Rвх и C2Rн – образуют филь-

тры верхних частот и не пропускают низкочастотные составляющие сигнала (Rвх – входное сопротивление каскада по перемен-

ному току).

На рис. 3.2 показаны эпюры токов и напряжений в установившемся режиме (закончились переходные процессы) для синусои-

дального входного сигнала eи(t) =Um sin(ωt) . В левой части п о-

казаны постоянные составляющие токов и напряжений, которые устанавливаются до воздействия сигнала.

При поступлении положительной полуволны входного сигнала базовый ток увеличивается, вызывая возрастание тока коллектора. При этом увеличивается падение напряжения на сопротивлении

Rкн = Rк || Rн и потенциал коллектора уменьшается. Следовательно, в этой схеме наряду сусилением происходит сдвиг фазы сину-

23

соидального напряжения на 180°, т.е. меняется полярность выходного напряжения по сравнению с полярностью входного.

кэ

t

Рис. 3.2. Эпюры токов и напряжений в установившемся режиме

АНАЛИЗ В ОБЛАСТИ СРЕДНИХ ЧАСТОТ

Анализ усилителя проведём обобщённым матричным методом. Пользуясь этим методом, из непосредственного рассмотрения схемы можно получить её матрично-векторные параметры, по которым определяются искомые токи и напряжения или находятся аналитические выражения для параметров схемы.

Для определения переменных составляющих токов и напряже-

ний или таких параметров усилителя, как Rвх , Rвых , KU и KP с помощью линейных методов анализа необходимо предварительно преобразовать принципиальную схему каскада, показанную на рис. 3.1. При преобразовании схемы учитываются как конкретные условия работы усилителя, так и цель проведения анализа. Нередко в принципиальную схему вводятся элементы, которые учитывают дополнительные связи (паразитные емкостные или индуктивные связи между элементами и т.п.) или побочные явления

24

в электронных цепях (тепловые шумы, изменения параметров при изменении внешних воздействий и т.п.).

Проведём анализ усилителя для средних частот, пренебрегая всеми паразитными явлениями и инерционностью транзистора, а также полагая внутренние сопротивления источников постоянно-

го напряжения равными нулю, а проводимости ёмкостей C1 и C2

на средних частотах достаточно большими. Эти условия позволяют представить усилитель в виде идеального устройства, в котором полностью исключены нелинейные искажения.

Для переменных составляющих токов и напряжений преобразованная схема приведена на рис. 3.3, где Rб = R1 || R2 .

Рис. 3.3. Эквивалентная схема усилительного каскада с общим эмиттером для средних частот

Анализ электронной схемы методом контурных токов сводится к следующим операциям:

1.Выбираются направления контурных токов и контурам присваиваются номера (рис. 3.3).

2.Записывается матрица схемы без учёта многополюсных элементов (транзистора), а также сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Для схемы рис. 3.3 матрица схемы имеет вид

3. Поочерёдно рассматриваются многополюсные элементы (электронные лампы, транзисторы, индуктивно связанные группы двухполюсников) и соответствующие элементы матриц многополюсников, вписываются в матрицу схемы. (Если одна из сторон многополюсника не связана ни с одним контуром схемы, то её обозначают через «0», и элементы нулевой строки и нулевого столбца матрицы многополюсника не вписываются в матрицу схемы). Для нашего случая, если известна матрица параметров транзистора

полученная из рассмотрения эквивалентной Т-схемы транзистора, то, обозначив строки и столбцы этой матрицы номерами, соответствующими подсоединению транзистора в схеме рис. 3.3 можно получить полную матрицу схемы:

дополнив ранее записанную матрицу (3.1) элементами матрицы

(3.2).

4.Устанавливаются номера входных и выходных контуров схемы. Для нашего случая это соответственно контура 1 и 4.

5.Записываются выражения для искомых параметров. В слу-

где ∆ и ∆j,i – определитель и алгебраические дополнения мат-

рицы (3.3).

26

Раскрыв определитель и соответствующие алгебраические до-

Эти выражения позволяют оценить параметры усилительного каскада и проследить их зависимость от параметров транзистора и номиналов внешних элементов. Например, из (3.7) следует, что

существует оптимальное сопротивление нагрузки Rн.опт., при котором коэффициент усиления мощности KP.оэ достигает макси-

мума.

При определении коэффициента усиления каскада по напряжению (3.6) не учитывалось внутреннее сопротивление источника

сигнала и KU определяется как отношение падения напряжения на Rн к напряжению на входе усилителя (т.е. между точками 1 и 1´ рис. 3.3). Однако Uвх будет равно ЭДС генератора сигнала eи лишь в случае, когда Rи = 0 или Rвх = ∞. Для реальных схем и

источников сигнала эти условия не выполняются и напряжение сигнала подаётся на вход усилителя через делитель, образован-

ный Rи и входным сопротивлением усилителя Rвх .

Если определить сквозной коэффициент усиления схемы T как отношение выходного напряжения усилителя к напряжению генератора сигнала, то

Это выражение позволяет проследить и влияние внутреннего со-

27

противления генератора сигнала на коэффициент усиления напряжения.

Заметим, что, анализируя зависимости параметров схемы от номиналов ее элементов, необходимо оценивать (и учитывать) и изменение параметров транзистора, так как они зависят от режима работы усилителя.

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Проведём анализ зависимости KU (ω) от частоты входного

сигнала. Общий вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя с RC связями показан на рис. 3.4. Для упрощения анализа будем рассматривать отдельно области низких (область 1 на рис. 3.4), средних (область 2) и высоких (область 3) частот. Анализ для средних частот проведён ранее.

|KU|

KU.max

2

Рис. 3.4. Общий вид АЧХ усилителя с RC связями

В области низких частот поведение KU (ω) в зависимости от частоты определяется разделительными конденсаторами C1, C2 и блокирующим конденсатором Cэ в цепи эмиттера.

Проведём анализ частотной характеристики усилителя с учётом этих конденсаторов. Для этого воспользуемся сразу соотно-

шениями (3.6) и (3.8), которые запишем с учётом C1 и C2 . В этом случае Rи необходимо заменить на Zи = Rи +( jωC1)−1 , а Rн на Zн = Rн +( jωC2)−1 . При этом

28

Производя перемножение в знаменателе (3.10) и отбрасывая малые члены, можно представить T в виде

где ωн = ωн1 +ωн2 – граничная частота, на которой модуль коэф-

фициента усиления напряжения уменьшается в 2 раз по сравнению с его значением на средних частотах. В расчётных формулах иногда встречается также предельная частота усиления ωT ,

29

при которой модуль коэффициента усиления напряжения уменьшается до единицы.

Влияние блокирующего конденсатора в цепи эмиттера оценим, считая C1 = ∞ и C2 = ∞ . Сделанное допущение значительно со-

кращает вычисления, позволяя в то же время выяснить роль Cэ.

где rвх = rб +(1+β)rэ – входное сопротивление транзистора при

включении с общим эмиттером.

Сравнивая это выражение с выражением (3.10), можно отметить, что для того, чтобы влияние Cэ на поведение амплитудно-

частотной характеристики усилителя было сравнимо с влиянием C1 и C2 , ёмкость Cэ при прочих равных условиях должна быть

Если в знаменателе выражения для Zэ пренебречь 1, то согласно (3.14) модуль T можно представить в виде

30