Масленников Основы шемотехники електронных цепей

15.Какова структура n-p-n транзистора?

16.Как обозначаются транзисторы в схеме?

17.Как должны быть смещены переходы в транзисторе, работающем в активном режиме?

18.Нарисуйте включение транзистора с общей базой.

19.Какой принцип работы транзистора в схеме с общей базой?

20.Почему проводимость эмиттерной зоны должна быть много больше проводимости базовой зоны?

21.Почему база транзистора должна быть тонкой?

22.Нарисуйте схему простейшего усилительного каскада с общим эмиттером.

23.Зачем в базовую цепь транзистора с общим эмиттером включают резистор?

24.Зачем в коллекторную цепь транзистора с общим эмиттером включают резистор?

25.Из каких соображений в усилительном каскаде с общим эмиттером выбирают режим транзистора по постоянному току?

26.Нарисуйте эквивалентную схему транзистора для большого сигнала.

27.Нарисуйте эквивалентную схему транзистора для малого сигнала.

28.В чем отличие пассивных и активных компонентов электронных устройств?

29.За счет каких причин мощность на выходе усилителя можно получить больше, чем мощность входного сигнала?

30.При каких условиях транзистор работает в области отсечки?

31.Как происходит насыщение транзистора?

32.Найдите К(jω) для цепи:

33.Нарисуйте импульс на выходе:

21

34. Нарисуйте UВЫХ = f (t) при переключении ключа:

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб: Корона принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с.

2.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и циф-

ровая электроника: Полный курс: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с.

3.Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс. Додэка. – Т.1. – 2008. – 827 с.

4.Масленников В.В. Сборник задач по курсу «Общая электротехника и электроника». – М.: МИФИ, 2007. – 88 с.

5.Масленников В.В. Элементы электронных устройств. – М.:

МИФИ, 2002. – 99 с.

22

Р а б о т а 2

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ

Цель: изучение и экспериментальное исследование основных параметров и характеристик простейших усилительных каскадов на биполярном транзисторе с общим эмиттером и общим коллектором (эмиттерный повторитель), получивших наибольшее распространение при проектировании реальных усилительных устройств.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Усилителем называется устройство, в котором маломощный входной сигнал непрерывно и однозначно управляет передачей сигнала большей мощности из источника питания в нагрузку. В исследуемых простейших усилительных каскадах передача энергии в нагрузку регулируется с помощью активного элемента – биполяр-

ного транзистора.

Рассмотрим наиболее распространенные усилительные каскады с общим эмиттером и общим коллектором.

Усилительный каскад с общим эмиттером

Наиболее распространенная схема усилительного каскада с общим эмиттером и емкостными связями приведена на рис.2.1.

По сравнению с простейшим усилительным каскадом с общим эмиттером, исследованным в работе 1 (схема приведена на рис.1.13), в данном усилительном каскаде дополнительно введены в базовую цепь резистивный делитель напряжения ( R1 и R2 на

схеме рис.2.1) и в эмиттерную цепь резистор Rэ . Как будет пока-

23

зано ниже, введение в каскад резисторов R1 , R2 и Rэ позволяет

получить стабильный режим усилительного каскада, практически мало зависящий от параметров транзистора.

Рис. 2.1. Усилительный каскад с общим эмиттером

Рассмотрим принцип работы каскада. При отсутствии входного сигнала (Uг 0 ) с помощью резисторов R1 , R2 , Rк и Rэ и ис-

точника питания Eп обеспечивается режим по постоянному току

транзистора. При этом р-n переход эмиттер – база (эмиттерный переход) смещен в прямом направлении, а переход коллектор – база (коллекторный переход) находится при обратном смещении. В этих условиях транзистор работает в активном режиме и может обеспечить усиление входных сигналов.

Сопротивления базового делителя R1 и R2 создают необходимый потенциал на базе Uб , который смещает эмиттерный переход

в прямом направлении (падение напряжения на нем при этом примерно равно 0,6 В) и вызывает протекание через него базового тока Iб . Зависимость базового тока Iб от напряжения Uбэ (входная

характеристика каскада с общим эмиттером при определенном напряжении на коллекторе) очень близка к вольтамперной характеристике диода (см. рис.1.9, б). Ввиду большой нелинейности этой характеристики и разбросу параметров используемых транзисторов определить базовый ток не представляется возможным. Но можно

24

поступить следующим образом. Полагая, что ток базы Iб много меньше, чем ток, протекающий через резистивный делитель Iд ,

что напряжение на эмиттере меньше, чем на базе на 0,6 В, получим

Коллекторный ток Iк , протекая по сопротивлению Rк , вызыва-

ет на нем падение напряжения, причем потенциал на коллекторе можно определить по формуле:

Из приведенных выше формул следует, что режим транзистора в усилительном каскаде практически не зависит от параметров транзистора. Это позволяет получать одинаковый режим при замене в усилительном каскаде транзисторов (в случае, если транзистор выйдет из строя в процессе эксплуатации). Кроме того, режимные токи и напряжения остаются постоянными при изменении температуры и параметров транзистора.

При подаче входного сигнала (Uг 0 ) происходит изменение

базового тока, а следовательно, и коллекторного, который в раз больше. Изменение коллекторного тока вызывает пропорциональное изменение коллекторного напряжения, которое и передается в нагрузку через конденсатор С2 . При этом, если на вход усилителя

подан сигнал положительной полярности, то он вызывает увеличение базового и коллекторных токов и, как следует из формулы (2.1), уменьшение потенциала коллектора. Таким образом, сигнал в нагрузке оказывается в противофазе с входным сигналом.

Следует отметить необходимость использования в усилительном каскаде конденсаторов C1, C2 и Cэ . Разделительные конден-

25

саторы C1 и C2 служат для исключения прохождения постоянного

тока из каскада в генератор входного сигнала и нагрузку соответственно. Если бы входной генератор и нагрузка подключались к усилительному каскаду не через конденсаторы, а непосредственно, то постоянные токи транзистора могли бы измениться, и режим транзистора в усилительном каскаде был бы нарушен. Блокирующий конденсатор Cэ шунтирует по переменному сигналу резистор Rэ ,

что устраняет действие отрицательной обратной связи в диапазоне рабочих частот. Именно поэтому эмиттер транзистора по переменному току можно считать соединенным с общей шиной, что и обусловило название каскада – с общим эмиттером.

Режим работы усилительного каскада. Рабочая точка

Режим работы транзисторного усилительного каскада может определяться с помощью коллекторных характеристик (рис.2.2). Область нормальной работоспособности транзистора ограничена:

максимально допустимым напряжением Uкэ. доп , при превыше-

нии которого происходит пробой перехода база – коллектор (вертикальная прямая справа);

максимально допустимым током коллектора Iк. доп (горизонтальная прямая сверху);

максимально допустимой мощностью Pк. доп IкUкэ , рассеи-

ваемой на коллекторе (гипербола).

Для определения области работы транзистора строится нагрузочная прямая

где Uкэ – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора (см. рис.2.2); Iк Rк – падение напряжения на резисторе Rк ; Iэ Rэ – падение напряжения на резисторе Rэ . Сопротивление Rк

выбирается, как будет показано ниже, исходя из необходимого коэффициента усиления каскада по напряжению, причем чем оно больше, тем больше коэффициент усиления. Сопротивление Rэ

26

вводится в схему для стабилизации режима усилительного каскада, причем чем больше Rэ , тем более стабилен режим усилительного каскада. Однако, как следует из формулы (2.2), при заданных напряжении Eп , режимном токе Iэ и напряжении Uкэ увеличение Rэ приводит к увеличению на нем падения напряжения, что требует уменьшения сопротивления Rк , что, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициента усиления. По этой причине сопротивление Rэ в зависимости от необходимой стабильности режима выбирают в пределах от 0,1 до 0,3 от сопротивления Rк .

Рис. 2.2. Семейство коллекторных характеристик. Выбор рабочей точки

С учетом того, что при работе транзистора в активной области можно считать Iэ Iк , выражение (2.2) для построения нагрузочной прямой примет вид

Рабочая точка А (см. рис.2.2) – совокупность значений тока коллектора и напряжения Uкэ при отсутствии входного сигнала. Она должна удовлетворять следующим требованиям:

27

1)лежать в пределах области допустимых параметров транзистора (максимальные ток, напряжение и рассеиваемая мощность);

2)быть стабильной при изменении температуры;

3)находиться в линейной области характеристик, т.е. там, где

сохраняется прямая пропорциональность между Iб и Iк ;

4)обеспечить максимально возможный выходной сигнал, усиливаемый без искажений формы синусоиды;

5)режим работы транзистора должен быть близким к номинальному, указываемому в справочниках.

Стабильность рабочей точки зависит не только от величины со-

лельное сопротивление базового делителя. Чем больше отношение

При усилении возникают искажения выходных сигналов. Различают линейные и нелинейные искажения.

Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов и связаны с изменением сигнала во времени.

Нелинейные искажения вызываются наличием в усилителе нелинейных элементов, имеющих нелинейные вольтамперные характеристики, и связаны с величиной амплитуды сигнала, причем, чем меньше амплитуда выходных сигналов, тем меньше искажения.

Линейные и нелинейные искажения проявляются по-разному в зависимости от вида входного сигнала.

Линейные искажения при входном синусоидальном сигнале не приводят к искажению формы сигнала, но амплитуда и фаза выходного сигнала по отношению к входному сигналу изменяются, причем эти изменения зависят от частоты подаваемого сигнала. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотный характеристикой (рис. 2.3). Различают следующие области этой характеристики:

28

область средних частот, в которой линейные искажения малы, а коэффициент усиления максимален и практически не зависит от частоты;

области низких и высоких частот, в которых коэффициент усиления заметно уменьшается по сравнению с максимальным значением.

Рис. 2.3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Нижняя и верхняя граничные частоты fн и fв (см. рис.2.3) определяются как частоты, на которых модуль коэффициента усиления уменьшается в 2 раз по сравнению с модулем коэффициента усиления в области средних частот. Диапазон частот fв fн назы-

вается полосой пропускания усилителя.

Спад амплитудно-частотной характеристики усилителя в области низких частот обусловлен действием разделительных С1 и С2 и

блокирующего Сэ конденсаторов и возникает из-за того, что на низких частотах реактивное сопротивление емкостей

1

Z j C увеличивается.

Спад амплитудно-частотной характеристики усилителя в области высоких частот возникает из-за того, что на высоких частотах транзистор теряет свои усилительные свойства (т.к. большое сопротивление коллекторного перехода шунтируется его емкостью и β уменьшается с частотой), а также из-за уменьшения реактивного сопротивления емкости нагрузки.

29

Следует отметить, что при подаче на вход усилителя любых сигналов, отличных от синусоидальных, их форма искажается, хотя эти искажения не всегда можно заметить с помощью осциллографа. Для оценки линейных искажений, возникающих при передаче импульсных сигналов, пользуются переходной характеристикой усилителя, которая является реакцией его на идеальный перепад (ступеньку) тока или напряжения (рис. 2.4, а).

Линейные искажения выходных сигналов при этом оцениваются по следующим параметрам переходной характеристики.

В области малых времен (рис. 2.4, б):

по времени задержки tз , определяемом как время, прошедшее

от момента подачи входного сигнала до момента достижения выходным сигналом уровня 0,1Uвых.макс;

по времени нарастания фронта tф , определяемом как время, в

течение которого выходной импульс нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9Uвых.макс; если изменение выходного напряжения про-

исходит по экспоненте и характеризуется постоянной времени нарастания фронта в , то время нарастания фронта определяется по

формуле: tф 2,2 в ;

по амплитуде выброса , представляющей собой превышение выходного сигнала над его установившимся значением U

В области больших времен (рис. 2.4, в) линейные искажения характеризуются относительным спадом плоской вершины выходного импульса

Если спад плоской вершины импульса происходит по экспонен-

н

30