3. Задание к лабораторной работе

1.Подключить к схеме №2 первый транзистор. Установить напряжение питания . Определить , здесь (2) – номер схемы, 1 – номер транзистора.

2. Изменить напряжение питания и определить .

3. Подключить к схеме №2 сначала второй, а затем третий транзистор и определить при напряжении питания, равном .

4. Рассчитать

.

5. Выполнить то же, что и в пп.1–4 для схемы №3 и определить и .

6. Выполнить то же, что и в пп.1–4 для схемы №1, подключив правый делитель (по схеме рис.3) и определить и .

7. Выполнить то же, что и в пп.6 , подключив левый делитель и определить и .

8. Выполнить то же, что и в пп.1–4 при и определить и .

9. Выполнить то же, что и в пп.8 для схемы №4 при и определить , и .

10. Рассчитать (т.е. для всех схем), используя выражение (3) и параметры первого транзистора (указаны на установке).

11. Построить экспериментальную и теоретическую зависимости от номера схемы для первого транзистора.

12. Построить экспериментальную зависимость при от номера схемы.

13. Рассчитать для каждой схемы, используя параметры первого транзистора. Построить зависимостьот номера схемы.

4. Контрольные вопросы

1. Назначение цепей смещения.

2. Параметрический метод стабилизации. Его достоинства и недостатки.

3. Поясните, как осуществляется стабилизация режима работы в схемах, показанных в таблице.

4. 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 цепи. В транзисторной электронике используются схемы с общим эмиттером, общей и общим коллектором.

В данной работе рассматривается простейший усилительный каскад с общим эмиттером, содержащий всего один усилительный элемент (см. рис.1), и определяются его основные параметры: - коэффициент усиления по направлению, - коэффициент усиления по мощности, и - входное и выходное сопротивление соответственно. Эти параметры описывают усилительные свойства каскада, его взаимодействие с нагрузкой и генератором 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 по сравнению с постоянными составляющими. Это описывает зависимости переменных составляющих от входного сигнала с помощью линейных функций.

Рассмотрим наиболее распространенную схему усилительного каскада с общим эмиттером, показанную на рис.1. В этой схеме резисторы и задают начальное смещение перехода эмиттер-база транзистора. является нагрузкой каскада по постоянному току, а параллельное соединение и - нагрузкой по переменному току. Цепочки и - образуют фильтры верхних частот и не пропускают низкочастотные составляющие сигнала (- входное сопротивление каскада по переменному току).

Рис. 8

На рис.8 показаны эпюры токов и напряжений в установившемся режиме (закончились переходные процессы) для синусоидального входного сигнала . В левой части показаны постоянные составляющие токов и направлений, 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 и потенциал коллектора уменьшается. Следовательно, в этой схеме наряду с усилением происходитсдвиг фазы синусоидального напряжения на , т.е. меняется полярность выходного напряжения по сравнению с полярностью входного.

АНАЛИЗ В ОБЛАСТИ СРЕДНИХ ЧАСТОТ

Анализ усилителя проведем обобщенным матричным методом. Пользуясь этим методом, из непосредственного рассмо- трения схемы можно получить ее матрично-векторные параметры, по которым определяются искомые токи и напряжения или находятся аналитические выражения для параметров схемы.

Для определения переменных составляющих токов и напря-жений или таких параметров усилителя, как , , и с помощью линейных методов анализа необходимо предварительно преобразовать принципиальную схему, показанную на рис.1. При преобразовании схемы учитываются как конкретное условие 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 в электронных цепях (тепловые шумы, изменения параметров при изменении внешних воздействий и т.п.).

Мы проведем анализ усилителя для средних частот, пренебрегая всеми паразитивными явлениями и инерционностью транзистора, а также пологая внутренние сопротивления источников постоянного напряжения равными нулю и проводимости

Рис.8

емкостей и очень 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.16, где .

Анализ электронной схемы методом контурных токов сводится к следующим операциям:

1. Выбираются направления контурных токов и контурам присваиваются номера (рис.8).

2. Записывается матрица схемы без учета многополюсных элементов. Например, для схемы рис.8 без учета и матрица схемы имеет вид

(17)

3. Поочередно рассматриваются многополюсные элементы (электронные лампы, транзисторы, индуктивно связанные группы двухполюсников) и соответствующие элементы матриц много-полюсников, вписываются в матрицу схемы. (Если одна из сторон многополюсника не связана ни с одним контуром схемы, то ее обозначают через “0”, и элеметы нулевой строки и нулевого столбца матрицы многополюсника не вписываются в матрицу схемы). Для нашего случая если известна матрица параметров транзистора

(18)

полученная из рассмотрения эквивалентной Т-схемы транзистора, то, обозначив строки и столбцы этой матрицы номерами, соответствующими подсоединению транзистора в схеме рис.16 можно получить полную матрицу схем:

(19)

дополнив ранее записанную матрицу (17) элементами матрицы (19).

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

5. Записываются выражения для искомых параметров. В случае схемы рис.3 выражения для , , имеют вид

, , ,

где и - определитель и алгебраические дополненияматрицы (19).

Раскрыв определитель и соответствующие алгебраические дополнения в случае, когда , получим ,

, (20)

(при ), (21)

, (22)

. (23)

Эти выражения позволяют оценить параметры усилительного каскада и проследить их зависимости от параметров транзистора и номиналов внешних элементов. Например, из (23) следует , что существует оптимальное сопротивление нагрузки , при котором коэффициент усиления мощности достигает максимума.

При определении коэффициента усиления каскада по напряжению (6) не учитывалось внутреннее сопротивление ис-точника сигнала и определяется как отношение падения напряжения на к напряжению на входе усилителя (т.е. между точками и рис.8). Однако будет равно ЭДС генератора сигнала лишь в случае, когда или .

Для реальных схем и источников сигнала эти условия не вы-полняются и напряжение сигнала подается на вход усилителя через делитель, образованный и входным сопротивлением усилителя .

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

(24)

Это выражение позволяет проследить и влияние внутреннего сопротивления генератора сигнала на коэффициент усиления напряжения.

В заключении отметим, что, анализируя зависимости параметров схемы от номиналов элементов схемы, необходимо оценивать и изменение параметров транзистора, так как они зависят от режима работы усилителя.

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Проведем анализ зависимости от частоты. Общий вид амплитудно-частотной характеристики усилителя с -связью показана на рис.9. Для упрощения анализа будем рассматривать отдельно области низких (область 1 на рис.9), средних (область 2) и высоких (область 3) частот. Анализ для средних частот проведен ранее.

Рис. 9

В

Рис.17

области низких частот поведение K_U() в зависимости от частоты определяется разделительными конденсаторами и и блокирующим конденсатором в цепи эмиттера.

Проведем анализ частотной характеристики усилителя с учетом этих конденсаторов. Для этого воспользуемся сразу соотношениями (22) и (24), которые запишем с учетом и . В этом случае необходимо заменить на , а на . При этом

, (25) (26)

, где , , а

,

, (26а)

и - частоты, определяемые постоянными времени пере-

зарядки конденсаторов и .

, (27)

. (28)

Производя перемножение в знаменателе (26) и отбрасывая малые члены, можно представить в виде

, (29)

где _Н = _Н1+ _Н2 - граничная частота, на которой модуль коэффциента усиления напряжения уменьшается в раз по сравнению с его значением на средних частотах. Иногда в расчетныхформулах встречается также предельная частота усиления _Т, при которой модуль коэффциента усиления напряжения уменьшается до единицы.

Влияние блокирующего конденсатора в цепи эмиттера оценим, считая и . Сделанное допущение значительно сокращает вычисления, позволяя в то же время выяснить роль .

При учете в матрице (17) необходимо заменить на . При этом выражение для , и можно представить в том же виде, что и без учета (выражения (20), (22) и (23) соответственно), заменив на . Для , например,

(30)

,

где .

Сравнивая это выражение с выражением (26), можно отметить, что для того, чтобы влияние на поведение амплитудно-частотной характеристики усилителя было сравнимо с влиянием и , емкость при прочих равных условиях должна быть значительно больше, чем переходные емкости и , так как

и .

Если в знаменателе выражения для пренебречь 1, то согласно (30) модуль можно представить в виде

,

где .

Т.е. подобно и , можно ввести , которая будет характеризовать завал амплитудно-частотной характеристики усилителя, обусловленный конечной величиной емкости .

В области высоких частот поведение определяется инерционностью транзистора, связанной с диффузионными процессами в базе () и влиянием собственных емкостей транзистора и . При этом , при источнике тока на входе высшая граничная частота , а при источнике ЭДС на входе.