Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Цель работы: определение рабочего режима по постоянному току и определение коэффициентов передачи усилителя на биполяр­ном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Краткие теоретические сведения. Каскады усиления чаще всего выполняют на транзисторах, вклю­ченных с ОЭ, т.к. при этом получают наибольшее усиление сигнала по мощности (по сравнению с двумя другими схемами включения транзистора — с ОБ и ОК). Основными требо­ваниями, предъявляемыми к каскаду, являются макси­мальное усиление, минимальные частот­ные и нелинейные искажения, высокая экономичность, температурная стабильность. При этом наиболее ответственным моментом является выбор рабо­чей точки каскада — электрического состояния усили­тельного элемента по постоянному току до поступления входного сигнала.

Рабочая точка каскада на транзисторе, включенном с ОЭ, определяется четырьмя параметрами: токами I_{Б р т} и I_{К р т} и напряжениями U_{БЭ р.т} и U_{КЭ р.т}. В активном режиме рабочую точку транзистора уста­навливают подачей прямого напряжения на эмиттерный переход и обратного на коллекторный. Упрощенная схема транзисторного каскада на транзис­торе р-n-р-типа показана на рис. 3.1а. В схеме на транзисто­ре n-р-n-типа полярность источника питания будет проти­воположной. Для коллекторной цепи каскада справедливо соотношение U_КЭ = Е_К — I_КR_К, называемое уравнением линии нагрузки. Этому уравнению соответствует линия, пересекающая координатные оси I_К и U_КЭ (рис. 3.2а) в точках Е_К и Е_К /R_К и называемая линией нагрузки. Для предотвращения необратимого пробоя транзистора линию нагрузки строят, исходя из условий: ; .

При неизменных напряжении питания Е_К и сопротивлении резистора R_К рабочая точка транзистора в любой момент усилительного процесса находится на линии нагрузки. На линии выделяют рабочий участок, в пре­делах которого рабочая точка смещается под действием входного сигнала между точками Б и В, близкими соот­ветственно к областям насыщения и отсечки. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка БВ. Для работы транзистора в активном режиме (класс А) рабочую точку выбирают посередине рабочего участка - точка А(р.т.). Положение точки А определяется тремя параметрами: I_{Б р т}, I_{К р т} и U_{КЭ р.т}, четвертый параметр U_{БЭ р.т} получают переносом рабочей точки на входную характеристику (рис. 3.2б). Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R₁ и R₂ (рис. 3.1б). Обычно ток базового делителя выбирают из условия:

а) б)

Рис.3.1. Упрощенные схемы транзисторных каскадов

а) б)

Рис.3.2. Определение положения рабочей точки транзистора

а сопротивления его резисторов рассчитывают из уравнений:

;

.

Применение базового делителя способствует температурной стабилизации рабочей точки, но снижает входное сопротивление каскада и приводит к излишней нагрузке на источник входного сигнала и потере части энергии в базовом делителе.

Лучший результат температурной стабилизации дает эмиттерная стабилизация ра­бочей точки, достигаемая за счет включения в цепь эмиттера резистора R_Э (рис. 3.3), который формирует отрицательную обратную связь по постоянному току. Сопротивление резистора R_Э рассчитывается по формуле

.

Рассмотрим процесс эмиттерной стабилизации рабо­чей точки. При росте температуры увеличиваются не­управляемый ток коллектора I_КБ0, напряжение U_{БЭ р.т}, а также токи базы I_{Б р т}, и коллектора I_{К р т} и, соответственно, растет падение напряжения на резисторе R_Э в эмиттер­ной цепи. В результате снижается напряжение смещения на эмиттерном переходе, определяемое из уравнения:

,

а следовательно, уменьшаются токи эмиттера и коллектора, и рабочая точка возвращается в исходное положение. Для ослабления обратной связи по переменному току (при наличии входного переменного сигнала) параллельно резистору R_Э включают конденсатор С_Э. Его емкость выбирают таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого напряжения сопротивление конденсатора было много меньше R_Э.

Наиболее распространенная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером представлена на рис. 3.3. Входное усиливаемое переменное напряжение подается на вход усилителя через разделительный конденсатор С₁. Конденсатор С₁ препятствует передаче на вход усилителя постоянной составляющей напряжения входного сигнала, которая может вызвать нарушение режима работы транзистора по постоянному току. Усиленное переменное напряжение, снимаемое с коллектора транзистора, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением R_Н через разделительный конденсатор С₂. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи и внешней нагрузки по постоянному току.

При повышении частоты сигнала необходимо учиты­вать влияние входной и выходной емкостей транзистора, шунтирующих входное и выходное сопротивления каска­да, что проявляется в уменьшении полезного тока, посту­пающего на его вход и в нагрузку. Для оценки влияния частоты сигнала на коэффициент усиления напряжения используют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя.Полосой пропускания усилителя называют интервал частот, в пределах которого коэффициент усиления снижается не более чем на 3 дБ (до уровня 0,707) по отношению к его максимальному значению.

Рис.3.3. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Для определения основных динамических параметров усилительного каскада в режиме усиления переменного тока в области средних частот пользуются его эквивалентной схемой для переменных составляющих токов и напряжений. Сопротивления конденсаторов С_Э , С₁ и С₂ в области средних частот очень малы и ими можно пренебречь. Воспользовавшись схемой замещения транзистора в h-параметрах и, считая коэффициент обратной связи по напряжению h₁₂ равным нулю, получим эквивалентную схему усилительного каскада (рис.3.4).

С помощью эквивалентной схемы определим основные параметры усилителя.

Рис.3.4. Эквивалентная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Входное сопротивление каскада R_ВХ определяется параллельным соединением резисторов R₁, R₂ и h₁₁. Однако обычно сопротивления резисторов R₁ и R₂ значительно больше h₁₁, поэтому и, следовательно, .

Выходное сопротивление усилительного каскада определяется в соответствии со схемой выражением

.

Следовательно, с учетом последнего соотношения, выходной ток каскада i_ВЫХ может быть определен следующим образом:

.

Коэффициент передачи тока К_I определяется в результате из выражения

.

Для коэффициента передачи напряжения К_U получаем следующее соотношение:

.

Рис.3.5. Схема исследуемой цепи

Рабочее задание

1.Подготовьте к работе исследуемую цепь. Для этого:

а) познакомьтесь со схемой исследуемой цепи (рис.3.5);

б) при отключенном макете установите напряжение источника Е_К равным 12 В, не изменяя значения установленного напряжения выключите источник;

в) соберите исследуемую цепь в соответствии с рис. 3.5, особое внимание обратите на полярность включения источника напряжения Е_К;

г) включите напряжение питания Е_К.

2. Зафиксируйте рабочий ре­жим транзистора по постоянному току, для чего после включения постоянного источника питания Е измерьте постоянные составляющие потенциалов в точках Б (база), К (коллектор) и Э (эмиттер). Рассчитайте постоянные составляющие токов I_Б, I_К и I_Э.

3. Подайте от генератора на вход усилителя переменное напря­жение так, чтобы между точками а и в было напряжение u₁, ве­личина и частота которого указаны на макете. Напряжение u₁, при­нимается за входное напряжение усилителя.

4. Произведите измерения необходимые для определения коэффи­циентов передач напряжения и , а также входного сопротивления . Рассчитайте численные значения этих величин по данным измерений. Токи i₁ и i₂ определите косвенно по данным измерений напряжений на резисторах R₃ и R_К .

5. Снимите АЧХ усилителя К_U=K(f). Для этого, поддерживая неизменным входное напряжение u₁, и меняя его частоту в возможных пределах генератора, замерьте соответству­ющие значения выходного напряжения u₂ . Измерения начните с час­тоты f = 1кГц. Постройте по данным измерений график АЧХ .

6. Пользуясь схемой замещения усилителя, выраженной через h - параметры (примите h₁₂ = 0), получите формулы для расчета К_I , К_U и R_ВХ. Сопротивление резистора R₃ не входит в расчет, т.к. входное напряжение принимается между точками а и в.

7. Рассчитайте по формулам п.5 численные значения К_I , К_U и R_ВХ. Для параметров транзистора примите следующие значения:

h₁₁ = 2 кOм, h₁₂ = 0, h₂₁ = 30, h₂₂= 10^-4 См.

Контрольные вопросы

1.Расскажите об устройстве, принципах работы и основных параметрах биполярных транзисторов.

2.По какой схеме включен транзистор в исследуемом усилителе.

3.Какую роль играют в исследуемом усилителе резисторы и конденсаторы.

4.Как строится и для чего используется эквивалентная схема замещения усилителя в h-параметрах.

Лабораторная работа № 4