Вопросы для самопроверки

1. Напишите выражение для закона Кирхгофа в случае последовательного соединения сопротивлений.

2. Напишите выражение для закона Кирхгофа в случае параллельного соединения резисторов.

3. Что такое вольт-амперная характеристика?

4. Чем отличаются вольт-амперные характеристики линейного и нелинейного элементов?

5. Каким образом построить результирующую вольт-амперную характеристику последовательно соединенных нелинейных элементов?

6. Каким образом построить результирующую вольт-амперную характеристику параллельно соединенных нелинейных элементов?

7. Какой параметр электрической цепи можно определить с помощью результирующей вольт-амперной характеристики, и каким образом?

8. Как записать выражение закона Ома для цепи постоянного тока с последовательным и параллельным соединением элементов?

Литература

1. Иванов, И.И. Электротехника / И.И. Иванов, Г.И. Соловьев, В.С. Равдоник. -СПб.:Изд-во «Лань».- 2005.- С.22-32.

Лабораторная работа 6

Исследование биполярного транзистора и однокаскадного транзисторного усилителя

Цель работы:

Снятие статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и определение по ним «h» – парамет­ров. Исследование влияния элементов усилительного каскада, выпол­ненного на биполярном транзисторе, на его амплитудную и частотную характеристики.

Сведения из теории

Биполярные транзисторы относятся к полупроводниковым прибо­рам и предназначены для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, коммутации сигналов и других различных целей.

Наиболее полно свойства транзисторов отражают их вольт-ам­перные характеристики и так называемые «h» – параметры.

Усилители на биполярных транзисторах являются одними из са­мых распространенных электронных устройств, применяемых в измери­тельной технике, автоматике, технике связи, радиотехнике и т.д.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый при­бор с двумя встречно включенными p-n переходами, составляющие три области: средняя область носит название базы (Б), а крайние – эмиттер (Э) и коллектора (К), к которым подключены выводы. В зави­симости от расположения областей могут быть созданы транзисторы р-п-р и п-р-n типов.

Различают три схемы включения транзистора в активном режиме работы: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Название схемы совпадает с названием вывода, общего для входной и выходной целей. Наиболее часто усилитель­ные каскады, выполненные на транзисторах, включены по схеме с ОЭ, представленной на рис. 6.1. Для такой схемы входной ток равен току базы, а выходной – току коллектора:

,

(6.1)

где I_ко – начальный ток коллектора, вызванный неосновными носителя заряда;

.

(6.2)

Для современных биполярных транзисторов d = 0,9-0,995.

Малая величина входного (управляющего) тока I_б и обусловила широкое применение схемы с ОЭ.

Наиболее употребительными для схем с ОЭ являются следующие статические характеристики: входная, отражающая зависимость I_б (U_бэ) при U_кэ =const и семейство выходных характеристик, отражающих зависимость I_к (U_кэ) при I_б = const. Входные и выходные характеристики представлены соответственно на рис. 6.2 и 6.3. Рабо­чая область выходных характеристик биполярного транзистора ограничена тремя кривыми: I_{к max} ,U_{кэ max} ,P_{к max}

Рисунок 6.1 Схема с общим эмиттером

Рисунок 6.2 Входные характеристики транзистора

Рисунок 6.3 Выходные характеристики транзистора

Если к транзистору подведено питание и этим задана опреде­ленная рабочая точка на его статических характеристиках, то при наложении на питающие токи малых переменных сигналов транзистор ведет себя в отношении этих сигналов как линейный элемент электри­ческой цепи. На этом основано применение к транзистору методов теории линейных четырехполюсников.

Рисунок 6.4 Транзистор как четырехполюсник

Транзистор представляется (рис.6.4) как активный линейный четырехполюсник. Напряжения и токи малых сигналов U₁, U₂, I₁, I₂ действующие во внешних цепях такого четырехполюсника, можно описать шестью системами линейных уравнений. На практике наибольшее распростране­ние получила система полных сопро­тивлений (Z – параметры), система полных проводимостей (y – параметры) и гибридная система (h –па­раметры).

Наиболее удобна для осуществления измерения система h – па­раметров, где требуется осуществить режим холостого хода на вхо­де и короткого замыкания на выходе. Эта система описывается уравнениями.

(6.3)

Учитывая, что в усилительных устройствах входными и выходными сигналами являются приращение входных и выходных токов и напряже­ний, а для схемы с ОЭ (рис. 6.1) U₁=U_бэ, I₁= I_б, I₂= U_кэ, I₂= I_к систему (6.3) можно привести к виду:

(6.4)

где параметры h_11Э и h_12Э могут быть определены по входным характеристикам, a h_21Э и h_22Э – по выходным:

(6.5)

Параметр h_11Э представляет собой входное сопротивление биполярного транзистора. Параметр h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению. Поскольку величина его лежит в пределах 0,002-0,0002, то часто им пренебрегают, т е. принимают равным нулю.

Параметр коэффициент передачи тока, характеризующий усилительные свойства транзистора. Параметрh_22Э пред­ставляет собой выходную проводимость транзистора.

Рисунок 6.5 Усилительный каскад на транзисторе

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенным по схеме с ОЭ, показан на рис. 6.5. Входной сигнал U_bx подается на базу транзистора Т через раз­делительный конденсатор С_Р1, а выходной сигнал снимается с кол­лектора транзистора и через раз­делительный конденсатор С_Р2 в виде переменного напряжения U_вых по­дается на следующий усилительный каскад или в нагрузку R_Н.

Резистор в цепи коллектора R_К служит для создания выходно­го напряжения усилительного каскада. При R_К =0 падение напряже­ния на нем также равно нулю и U_вых не изменяется. Резистор R_Б задает ток базы и от него зависит положение точки покоя на входных и выходных характеристиках транзистора.

Рисунок 6.6 Сигналы усилительного каскада

Рисунок 6.7 Нагрузочная прямая усилителя

При U_вх=0 в цепях базы и коллектора протекают постоянные токи покоя I_бп и I_кп соответственно (рис. 6.6). На коллекторе устанавливается постоянное отрицательное напряжение U_кп

(6.6)

Под воздействием входного переменного напряжения ток базы I_б начинает изменяться, вызывая изменения тока коллектора, а следо­вательно, и коллекторного напряжения U_К. При этом выходное напряжение U_вых, снимаемое с коллектора, изменяется противофазно по сравнению U_б=U_ВХ.

Исходная точка покоя Р на выходной характеристике транзис­тора (рис. 6.7) выбирается с учетом допустимых искажений и к.п.д. схемы. При известной величине э.д.с. источника питания Е_П и сопро­тивления R_k можно построить нагрузочную прямую. Для этого из соотношения

EП=UК+IКRК

(6.7)

определяют ток коллектора

(6.8)

и рассматривают два характерных режима: режим холостого хода, когда I_К=0 и U_К=E_П (т. А), и режим короткого замыкания, когда U_К=0 и I_К= E_П/R_k (точка В). Соединив точки А и В, можно получить нагрузочную прямую, которая описывает линейную часть схе­мы: источник питания – резистор R_k. Значение тока коллектора I_К и напряжения U_К для промежуточных режимов могут быть найдены как координаты точек пересечения соответствующей коллек­торной характеристики с линией нагрузки.

Работа усилительного каскада может быть представлена также с помощью входной I_Б (U_БЭ), переходной I_к (I_Б) и выгодных I_к (U_КЭ) характеристик транзистора (рис.6.8). Представленное на рис.6.8 преобразование сигнала характерно для режима работы усилителя в классе А, т.е. когда напряжение покоя U_БЭП и ампли­туда входного сигнала выбираются так, чтобы точка покоя Р не выходила за пределы участка нагрузочной прямой, где изменение тока коллектора прямо пропорционально изменению тока базы. Обычно ее располагают примерно посередине отрезка АВ. Работа усилителя в классе А характеризуется минимальными нелинейными искажениями я невысоким к.п.д. последнее обусловлено относительно большим значе­нием коллекторного тока покоя I_КН.

На рис. 6.9 приведена схема усилительного каскада, где для уменьшения влияния температуры на свойства транзистора использу­ется отрицательная обратная связи по току, которую создает резистор R_Э, включенный в цепь эмиттера транзистора Т. Для того, чтобы "эта" связь не уменьшала коэффициент усиления каскада по переменной составляющей, т.е. по полезному сигналу, резистор R_Э шунтирует­ся конденсатором С_Э.

Другое отличие схемы от ранее рассмотренной на рис. 6.5 заключает­ся в наличии в цепи базы делителя R_Б1, R_Б2 создающего нача­льное напряжение смещения U_БЭ между собой и эмиттером

(6.9)

Для повышения стабильности положения рабочей точки покоя, что определяется соотношением R_Б1 и R_Б2, при изменении температуры, сопротивление резистора R_Б2 выбирают намного меньше чем R_Б1.

Наличие разделительных конденсаторов C_Р1 и C_Р2 и шунтирую­щей емкости С_Э снижает усиление на нижних частотах, так как

(6.10)

Обычно емкость С_Э выбирают такой, чтобы для нижнего диапа­зона усиливаемых частот емкостное сопротивление конденсатора С_Э было на порядок меньше сопротивления резистора R_Э, а емкостное сопротивление С_Р1 (или С_Р2) - на порядок меньше входного сопротивления усилительного каскада (или сопротивления нагрузки R_Н)

Наиболее важным параметром, характеризующим усилитель, яв­ляется его коэффициент усиления - отношение выходного значения напряжения, тока или мощности усиливаемого сигнала к их входному значению.

Рисунок 6.8 Режим работы усилителя в классе А

Рисунок 6.9 Схема усилительного каскада

В соответствии с этим различают три коэффициента усиления:

(6.11)

Коэффициент усиления безразмерная величина и часто выра­жается в децибелах. В зависимости от того, какая физическая вели­чина подвергается наибольшему усилению, различают три вида усили­телей: усилители напряжения, тока и мощности.

Различные частоты усиливаются усилителем неодинаково. В свя­зи с этим вводят понятие частотной характеристики усилителя, ко­торая отражает зависимость коэффициенте усиления от частоты f (рис.6.10а), и полосы пропускания, определяющей диапазон частот (f_н до f_в) в котором коэффициент усиления меняется не более чем на ±3дб (≈30%). Коэффициент усиления иногда выражают в относительных единицах, причем за базовое принимают его значе­ние на какой-то определенной частоте внутри полосы пропускания (например, для усилителя звуковой частоты (f₀ =1000 Гц) или на частоте, для которой коэффициент усиления максимален.

Рисунок 6.10

а) частотная характеристика усилителя

б) амплитудная характеристика усилителя

Динамический диапазон усилителя можно оценить по амплитудной характеристике – зависимости выходного напряжения усилителя U_вых от входного напряжения U_вх, снятой на среднем диапазоне усиливаемых частот (обычно на f₀) Эта характеристика (рис. 6.10б) имеет изгиб на участке АВ, обусловленный шумами, фоном или помехами внутри усилителя и нелинейными свойствами его элементов. Вследствие этого даже при U_вх=0 на выходе усилителя появляется нап­ряжение U_ш.

Рабочим участком амплитудной характеристики является участок ВС, который и определяет динамический диапазон усилителя

(6.12)

Участок СД, обусловленный нелинейными характеристиками усилительных элементов, является нерабочим. Работа же усилителя на участке АВ практически невозможна вследствие малого отличия напряжения усиливаемого сигнала от напряжения шумов.