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 IБ р т и IК р т и напряжениями UБЭ р.т и UКЭ 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 UКЭ = ЕК — IКRК, называемое уравнением линии нагрузки. Этому уравнению соответствует линия, пересекающая координатные оси IК и UКЭ (рис. 3.2а) в точках ЕК и ЕК /RК и называемая линией нагрузки. Для предотвращения необратимого пробоя транзистора линию нагрузки строят, исходя из условий: Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru ; Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru .

При неизменных напряжении питания ЕК и сопротивлении резистора RК 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: IБ р т, IК р т и UКЭ р.т, четвертый параметр UБЭ 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: Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru

       
    Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru
  Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru
 

а) б)

Рис.3.1. Упрощенные схемы транзисторных каскадов

       
    Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru
  Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru
 

а) б)

Рис.3.2. Определение положения рабочей точки транзистора

а сопротивления его резисторов рассчитывают из уравнений:

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru ;

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru .

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 RЭ (рис. 3.3), который формирует отрицательную обратную связь по постоянному току. Сопротивление резистора RЭ рассчитывается по формуле

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru .

Рассмотрим процесс эмиттерной стабилизации рабо­чей точки. При росте температуры увеличиваются не­управляемый ток коллектора IКБ0, напряжение UБЭ р.т, а также токи базы IБ р т, и коллектора IК р т и, соответственно, растет падение напряжения на резисторе RЭ в эмиттер­ной цепи. В результате снижается напряжение смещения на эмиттерном переходе, определяемое из уравнения:

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru ,

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 RЭ включают конденсатор СЭ. Его емкость выбирают таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого напряжения сопротивление конденсатора было много меньше RЭ.

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 RН 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.

 
  Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru

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 СЭ , 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.

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru

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

Входное сопротивление каскада RВХ определяется параллельным соединением резисторов R1, R2 и h11. Однако обычно сопротивления резисторов R1 и R2 значительно больше h11, поэтому Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru и, следовательно, Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru .

Выходное сопротивление усилительного каскада определяется в соответствии со схемой выражением

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru .

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

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru .

Коэффициент передачи тока КI определяется в результате из выражения

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru .

Для коэффициента передачи напряжения КU получаем следующее соотношение:

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru .

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru

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 ЕК 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 ЕК;

г) включите напряжение питания ЕК.

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 IБ, IК и IЭ.

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 Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru и Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru , а также входного сопротивления Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером - student2.ru . Рассчитайте численные значения этих величин по данным измерений. Токи i1 и i2 определите косвенно по данным измерений напряжений на резисторах R3 и RК .

5. Снимите АЧХ усилителя КU=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 КI , КU и RВХ. 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 КI , КU и RВХ. 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

Наши рекомендации