Характеристики и параметры биполярного транзистора

Учебное пособие

для студентов физических и инженерно-педагогических специальностей

ЧЕРЕПОВЕЦ

Рассмотрено на заседании кафедры теоретической физики и астрономии, протокол № 4 от 26.12.97 г. Одобрено УМС ЧГУ, протокол № 1 от 22.09.98 г.
УДК 621.396.6.001.63

ББК 32

М 17

М 17

Максимов А.В., О.Г. МаксимоваКурсовое проектирование по радиоэлектронике. Ч. I. Усилители низкой частоты на биполярных транзисторах: Учеб. пособие. Череповец: ЧГУ, 2000. 36 с. ISBN 5-85341-067-9.

Учебное пособие предназначено для студентов физических и инженерно-педагогических специальностей университетов (010400 и 030600).

В пособии приводятся теория, описание схем, расчётные задания и порядок выполнения курсовых проектов и соответствующих лабораторных работ по четырём темам курса «Основы радиоэлектроники». При выполнении курсовых проектов и лабораторного практикума студенты приобретут не только навыки конструирования (расчета, монтажа) и исследования радиосхем, но и обучатся методике, необходимой им, например, для проведения факультативных занятий или кружковой работы как будущим учителям физики или преподавателям электротехнологии.

Р е ц е н з е н т ы: доктор физ.-мат. наук, проф. Е.Б. Осипов; доцент каф. теоретической и прикладной физики ВГПУ Е.Ф. Тихонов

Н а у ч н ы й р е д а к т о р : проф. Н.М. Федорчук

ISBN 5-85341-067-9 Ó Череповецкий государственный

университет, 2000

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время в учебных заведениях (школах, лицеях и др.) отсутствуют готовые стенды по электро- и радиотехнике, автоматике и другим разделам физической электроники, поэтому необходимы специальные подходы для обучения студентов и школьников указанным дисциплинам. Данное пособие написано на основе большого методического опыта профессорско-преподавательского состава кафедры теоретической физики и астрономии ЧГУ. Изложенный в нем материал основывается на современной элементной базе, доступной как для школьного кабинета физики, так и для радиокружка.

В предлагаемом методическом описании приводятся краткая теория, описание схем и расчётные задания для двух курсовых проектов по четырём темам, а также порядок выполнения четырех лабораторных работ, каждая последующая из которых логически связана с предыдущей. Параллельное выполнение лабораторного практикума и курсового проектирования по радиотехнике проводятся нестандартным фронтальным способом, обладающим высокими методическими достоинствами. Расчётные задания и рекомендации, предлагаемые одновременно для курсовых проектов и лабораторных занятий, позволяют студентам самостоятельно определить параметры усилителей в заданных режимах работы, подобрать наборы деталей для сборки требуемых схем, спаять их на монтажной плате, а потом исследовать их характеристики и сравнить с рассчитанными.

Применение ЭВМ при курсовом проектировании и в лабораторном практикуме даёт возможность студентам в автоматизированном режиме снимать вольтамперные характеристики и определять параметры диодов, транзисторов и других полупроводниковых приборов в рабочих точках, рассчитывать характеристики отдельных каскадов и усилителей при минимальных затратах времени при выполнении курсовых проектов. Начиная с изучения принципа действия, параметров и характеристик отдельного транзистора (лаб. работа № 1), студенты последовательно (покаскадно) доходят до расчёта, монтажа и исследования характеристик трехкаскадного усилителя низкой частоты (УНЧ), оконечный каскад которого собран по оригинальной бестрансформаторной двухтактной схеме (лаб. работа № 4).

Перед выполнением экспериментальной части каждого курсового проекта студенты должны ответить на ряд специально подобранных вопросов для допуска к соответствующей лабораторной работе. Расчётные задания предлагается выполнять во время контрольно-самостоятельной работы. В конце каждого проекта сформулированы вопросы, которые позволят студентам основательно подготовиться к защите курсового проекта или экзамену по радиоэлектронике. При выполнении курсовых проектов и прохождении данного лабораторного практикума студенты приобретут не только навыки конструирования (пайки, монтажа, расчета радиосхем и пр.) и исследования, но и обучатся методике, необходимой им, например, для проведения факультативных занятий или кружковой работы как будущим учителям физики или преподавателям электротехнологии.

Требования к оформлению курсовых проектов

Выполнив очередной курсовой проект, студенты составляют письменный отчёт, который представляется преподавателю и защищается. Образец оформления титульной страницы курсового проекта приведён в приложении. В содержание отчета обязательно должны входить:

1. Перечень использованного оборудования и измерительных приборов.

2. Исследуемые электрические схемы.

3. Необходимые расчётные формулы и результаты вычислений.

4. Таблицы с данными измерений.

5. Графики снятых или рассчитанных зависимостей (на миллиметровой бумаге).

П р и м е ч а н и е: при вычерчивании графиков на осях координат необходимо указывать обозначения откладываемых величин, единицы их измерений (в масштабе, удобном для анализа зависимостей).

6. Выводы, вытекающие из сравнения экспериментальных данных и результатов теоретических расчётов (в виде таблиц и пр.).

Задания, отмеченные знакомu, являются необязательными, их можно выполнить самостоятельно (в зависимости от указаний преподавателя или зав. лабораторией). Ответы на контрольные вопросы студенты излагают при защите проекта в устной или письменной форме (по усмотрению преподавателя - руководителя проекта).

Курсовой проект № 1

Усилительные каскады

Ц е л ь п р о е к т а: ознакомиться со статическими характеристиками и собственными параметрами биполярных транзисторов, изучить их основные схемы включения, рассчитать и смонтировать усилительный каскад по схеме с общим эмиттером, экспериментально определить его основные характеристики и сравнить их с рассчитанными.

Тема 1

Тема 2

На биполярных транзисторах

Параметры схемы Схемы усилителей на биполярных транзисторах
ОЭ ОБ ОК
Кu Ki Kp Входное сопротивление Rвх Выходное сопротивление Rвых Применение схем   Несколько десятков Десятки сотен Несколько тысяч Десятки – тысячи Ом Десятки - сотни килоом Основная схема   Несколько сотен Около единицы Несколько сотен Десятки Ом   Сотни килоом – единицы мегаом В высокочас- тотных усилителях, при работе на высокоомную нагрузку   Около единицы Десятки сотен Несколько десятков Единицы - сотни килоом Десятки – сотни Ом   Для согласования выхода усилителя с низкоомной нагрузкой. Для согласования входа усилителя с высокоомным источником сигнала

СМЕШАННЫЙ (ГИБРИДНЫЙ) КАСКАД УСИЛЕНИЯ

Одним из недостатков усилительного каскада по схеме ОЭ (рис. 8б) является сильная зависимость положения рабочей точки от температуры. С ее увеличением растет ток Iк и уменьшается напряжение Uкэ (2.1). Для температурной стабилизации включают, например, в цепь эмиттера резистор Rэ (рис. 10). Это приводит к тому, что при возрастании тока Iк при увеличении температуры увеличивается падение напряжения на Rэ. В результате уменьшается разность потенциалов Uбэ, а следовательно ток базы Iб, и соответственно ток Iк (см. рис. 5). Таким образом, включение Rэ в схему ОЭ соответствует введению отрицательной обратной связи в этой схеме.

Рабочую точку в смешанном каскаде (СК) можно установить выбором сопротивления Rб (2.2). Расчёт показывает, что в схеме СК изменение DIк = b DIб / [1 + (Rк + Rэ) / Rвых ] @ b DIб, т.е. есть усиление по току (в bраз). Коэффициент передачи по напряжению К = DUвых / DUвх можно рассчитать по формуле (2.6), если Rвх в ней определить по соотношению (2.11), а RS - по формуле (2.7). Так как с ростом Rэ входное сопротивление СК увеличивается, то усиление по напряжению уменьшается, что соответствует увеличению глубины отрицательной обратной связи в этой схеме. Таким образом, в схеме СК уменьшается вероятность самовозбуждения усилителя и одновременно увеличивается его линейность, так как расширяется полоса пропускания амплитудно-частотной характеристики усилителя (см. лаб. работу № 4).

Если (b + 1)Rэ >> Rвх и Rвых >> (Rк + Rэ), то выражение для коэффициента передачи по напряжению приводится к виду: К @ Rк / Rэ, то есть не зависит от собственных параметров транзистора. Это значит, что на характеристиках схемы не очень скажется замена одного транзистора на другой. Таким образом, в СК, как гибридной схеме, не только проявляются достоинства, присущие схемам ОЭ и ОК в отдельности, но и появляются качественно новые по отношению к схемам ОЭ и ОК.

2. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

1. Нанесите на семействе выходных статических характеристик транзистора (см. лаб. работу № 1) точку Д (0, Е = 9 В) и заданную
рабочую точку Р(Iкр, Uкэр) и постройте нагрузочную прямую ГД
(см. рис. 8а). Определив точку пересечения этой прямой с осью ординат Г (0, Iк.max),рассчитайте сопротивление нагрузки R к по формуле:
Rк = E / I к. max.

2u. Используя семейства входных и выходных характеристик транзистора, графическим методом рассчитайте в указанной рабочей точке транзистора (см. лаб. работу № 1) коэффициент усиления каскада по напряжению и входное сопротивление каскада Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru .

3u. Определите коэффициент усиления каскада по напряжению по формуле: К тº DUвых / DUвх = DU кэ / DUбэ = (b / Rвх) . RS, где 1 / RS =
= 1 / Rк + 1 / Rкэ. Собственные параметры транзистора b, Rбэ и Rкэ в заданной рабочей точке должны быть рассчитаны на ЭВМ.

4. По формулам Rб @ Е / I бр и С1>>1/2p · fн · Rвх определите значения Rб и С1. Значение граничной частоты возьмите fн = 20 Гц.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Лабораторная работа № 2

П р и б о р ы и о б о р у д о в а н и е: плата с транзистором, мультиметр, милливольтметр, генератор НЧ, осциллограф, блок питания БП-15 (БП-30).

Вопросы при допуске к работе

1. Нарисуйте основные схемы включения биполярного транзистора, объясните их название и назначение.

2. Объясните сущность графического или аналитического метода расчёта усилительного каскада (на примере схемы ОЭ или ОК).

3.Укажите назначение резистора Rк в схеме ОЭ (или Rэ в схеме ОК). На основе зависимости коэффициента усиления (передачи) усилительного каскада по напряжению от Rк (Rэ ) объясните, в каких пределах следует выбирать значение номиналов этих сопротивлений ? Как в данной работе проводится расчёт сопротивления Rк (Rэ)?

4. В какой части нагрузочной прямой должна находиться рабочая точка транзистора усилительного каскада?

5.Укажите назначение резистора Rб в схемах ОЭ (рис. 8б) и ОК (рис.9). Как рассчитать значение Rб в этих схемах?

6. Объясните назначение и способ расчёта ёмкости С1 в усилительном каскаде.

7. Как можно экспериментально регулировать и проверять положение рабочей точки транзистора в данной работе?

8. Объясните, как нужно изменить сопротивление Rб в схеме ОЭ (рис. 8б), если напряжение Uкэ меньше (больше) заданного значения Uкэр.

9. Выведите формулы (2.5) и (2.9) для расчета коэффициента по напряжению в схемах ОЭ и ОК.

10. Выведите формулы (2.11) для экспериментального определения Кэи Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru .

11.Что такое отрицательная (положительная) обратная связь?

Порядок выполнения работы

1. Подберите детали, соответствующие рассчитанным значениям. Номиналы выбранных сопротивлений Rк и Rб проконтролируйте измерениями по мультиметру. Спаяйте усилительный каскад по схеме ОЭ (рис. 8б).

2. Проверьте экспериментально положение рабочей точки транзистора, измерив мультиметром напряжения Е = 9 В и Uкэр. Значение Uкэр должно быть в диапазоне: Uкэр = (4,5 ± 0,5) В, в случае несоответствия измените значение сопротивления Rб в нужную сторону.

3. Определите экспериментально коэффициент усиления по напряжению и входное сопротивление усилительного каскада Rвх. Для этого последовательно с емкостью С1 включите калибровочное сопротивление R = 1 к Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru (на рис. 8б показано пунктиром). Подайте на вход усилителя от генератора НЧ сигнал с параметрами Uбэ = 10 мВ, f = 1кГц. Измерив вольтметром напряжения Uвх, Uбэ и Uвых, определите коэффициент усиления и входное сопротивление каскада по формулам:

Кэ= Uвых / Uбэ , Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru = (R · Uбэ) / (Uвх – Uбэ). (2.11)

С учётом значения Rвх скорректируйте рассчитанный ранее коэффициент КТ(см. п. 3 в расчетной части).

4. Подключая осциллограф ко входу и выходу каскада (рис. 8б), определите амплитуды входного (Uвх) и выходного (Uвых) сигналов, коэффициент усиления по напряжению, зарисуйте их осциллограммы.

5. Пронаблюдайте искажения выходного сигнала. Для этого увеличивайте напряжение генератора НЧ на входе усилителя до величины Uвх mах, при котором начинает происходить ограничение амплитуды выходного сигнала «сверху» или «снизу» (в зависимости от положения рабочей точки). Запишите значение Uвх mах и зарисуйте осциллограмму искажённого выходного сигнала.

Таблица 4

Курсовой проект № 2

Двухкаскадный усилитель

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для усиления слабого сигнала недостаточно одного усилительного каскада. В этом случае для большего усиления необходимо применять несколько усилительных каскадов. Рассмотрим n-каскадный усилитель (рис. 11), образованный параллельным включением n усилительных каскадов, собранных по схеме ОЭ (см. лаб. работу № 2). Согласно определению коэффициентов усиления по напряжению Кj отдельных
каскадов (j = 1,...,n) ïDUкэ çj = Kj çDUбэ ê и параллельному способу
включения каскадов êDUкэ êj-1 = êDUбэ êj выполняется соотношение êDUвыхç º çDUкэ ên = Kn êDUбэ ên = Kn · Kn-1 êDUбэên-1 =
= Kn · Kn-1.·. .· K1 · êDUбэ ê1 = K êDUбэ ê1 = K êDUвх ê. Следовательно, общий коэффициент усиления n-каскадного усилителя К определяется как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов

К = К1 · К2.·…· Кn—1 · Кn . (3.1)

 
 
  Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru   Рис. 11. Блок-схема многокаскадного усилителя  

В выражении (3.1) коэффициент усиления j-го каскада Кj рассчитывается по формуле (2.5)

Kj = ( bj / Rвх j ) · Rå j , (3.2)

где bj – статический усилитель по току j-го транзистора в соответствующем усилительном каскаде. Если j-й каскад собран по схеме ОЭ, то входное сопротивление Rвх = Rбэ, а суммарное (общее) выходное сопротивление j-го усилительного каскада (j = 1, ….., n-1) определяется обобщением соответствующей формулы (2.6)

1/ Rå j = 1/ Rкj + 1/ Rвых j + 1/ Rвх j+1 . (3.3)

В соотношении (3.3) Rк j – сопротивление нагрузки в цепи коллектора j-го транзистора, включенного по схеме ОЭ, в которой Rвых j = Rкэ j,
а Rвх j+1 = Rбэ j +1 – входное сопротивление следующего каскада, также собранного по схеме ОЭ. Таким образом, согласно формулам (3.2) и (3.3) подключение к данному j-му каскаду последующего (j + 1)-го, как правило, уменьшает коэффициент усиления Kj этого каскада. Так как в схеме ОЭ Rвых j>> Rвх j, Rвх j+1,то общее выходное сопротивление j-го каскада Rå j @ Rк j · Rвх j +1 / (Rк j + Rвх j +1) определяется в основном сопротивлением параллельного соединения его нагрузки Rк и входного сопротивления следующего (j + 1)-го каскада.

При использовании других схем включения усилительных каскадов (ОБ, ОК) для расчета характеристик всего усилителя в целом можно использовать формулы (3.1)-(3.3) с учетом того, что значения Rвх и Rвых транзисторов в этих формулах должны соответствовать выбранной схеме включения этих транзисторов в каскадах (см. тему 2 в курсовом проекте № 1). Для оптимального соединения (согласования)
каскадов, в особенности первого и последнего, необходимо соблюдать выполнение условия Rвых j -1 @ Rвх j. Этого можно добиться за счёт
включения специальных, так называемых «буферных» каскадов или согласующих устройств (например, трансформаторов, см. лаб.
работу № 4).

2. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

1. С помощью ЭВМ определите статические параметры транзистора Т2 в рабочей точке: Uкэр2 = 4. 5 В, Iкр2 = 1.5 мА.

2. Рассчитайте значения Rк2, Rб2 и С2 для второго каскада, построенного по схеме ОЭ (см. рис. 8б), по формулам Rк2 = (Е – Uкэр2) / Iкр2 ,
Rб2 = Е / Iбр2 , С2 Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru 1/2p · fн · Rвх2 .

3. Определите коэффициент усиления второго каскада по напряжению по формуле Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru = (b2/ Rвх2) . RS2, где 1 / RS2 = 1/ Rк2 + 1 / Rкэ2.

4. Пересчитайте коэффициент усиления 1-го каскада, нагрузкой
которого является 2-й, по формуле K1H = (b1/ Rвх1) · Rå1, где
1 / Rå1 = 1/ Rк1 + 1/ Rвых1 + 1/ Rвх 2

5. Вычислите коэффициент двухкаскадного усилителя по формуле: К = K1H · К2 .

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Лабораторная работа № 3

Приборы и оборудование, вопросы для допуска к работе: см. лаб. работу № 2.

Порядок выполнения работы

1. Подберите детали с номиналами, соответствующими рассчитанным значениям (см. п.2 в расчетной части). Значения Rк2 и Rб2 проконтролируйте измерениями по мультиметру. Спаяйте второй каскад усиления по схеме ОЭ (рис. 8б).

2. Определите экспериментально рабочую точку транзистора Т2. В случае несоответствия (см. п. 1 в расчетной части) измените значение Rб2 в нужную сторону.

3. Для экспериментального определения коэффициента усиления Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru и входного сопротивления Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru второго каскада подайте на его вход от генератора НЧ переменное напряжение Uвх = 10 мВ с частотой 1кГц (см. рис. 8б). Величины Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru и Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru рассчитайте по формулам
Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru = Uвых / Uбэ, Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru = (R · Uбэ) / (Uвх – Uбэ). С учётом значения Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru скорректируйте значение рассчитанного ранее коэффициента Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru (см. п. 3 в расчетной части).

4. Соедините каскады между собой (рис. 12) и измерьте с помощью милливольтметра коэффициенты усиления первого и второго каскадов по отдельности и усилителя в целом.

П р и м е ч а н и е: на вход первого каскада подайте с генератора НЧ сигнал такой амплитуды (~ 1мВ), который еще усиливается без искажений (на выходе).

 
 
  Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru   Рис. 12. Структурная схема двухкаскадного усилителя

5. Пронаблюдайте искажения входного сигнала (см. п. 5 в лаб. работе № 2).

6. Заполните таблицу

Таблица 5

Выходным каскадом

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru Рабочие точки транзисторов Т1 и Т2 в усилительных каскадах в лабораторных работах № 2 и 3 были выбраны на середине соответствующих нагрузочных прямых, т.к. Uкэр = Е / 2 = 4,5 В (точка А на рис. 8а). Такой режим работы транзисторов определяется как режим класса А, а соответствующие каскады можно назвать однотактными, т.к. в них транзисторы Т1 и Т2 одновременно усиливают и положительные, и отрицательные полупериоды сигнала. В однотактном усилителе мощности (рис. 13) трансформатор Тр согласует низкоомное сопротивление нагрузки Rн с высокоомной вы-ходной цепью транзистора. Де-литель из сопротивлений Rб1, Rб2 фиксирует по постоянному току потенциал базы транзистора, а резистор Rэ определяет разность потенциалов перехода эмиттер - коллектор. Таким образом, в данной схеме (рис. 13) делитель из Rб1, Rб2 и Rэ определяет рабочую точку транзистора.

Кроме того, на резисторе Rэ создается напряжение отрицательной обратной связи по постоянному току (см. лаб. работу № 2). Для устранения нежелательной обратной связи по переменному току параллельно резистору Rэ включается конденсатор Сэ, имеющий сравнительно малое сопротивление для переменного тока. Ёмкость Ср , как обычно, разделяет по постоянному току источник входного сигнала и усилитель
(см. лаб. работу № 2).

Для создания большой выходной мощности необходима довольно большая амплитуда нагрузочного тока в цепи коллектора транзистора выходного каскада (Т2 в лаб. работе № 2). Если рабочую точку
этого транзистора выбрать на середине нагрузочной прямой (что соответствует режиму класса А), то однотактный каскад даже в отсутствии входного сигнала сам потребляет достаточно большой ток и его
КПД в режиме усиления мощности обычно не превышает 50 %. Таким образом, режим класса А неэкономичен и поэтому однотактные схемы применяют для получения сравнительно небольших выходных мощностей.

Если выбрать рабочую точку в точке Б (рис. 8а), т.е. на границе области «отсечки» транзистора, то он будет работать в режиме класса В. В этом режиме однотранзисторный усилитель мощности будет усиливать только одну половину периода (отрицательную или положительную) в зависимости от полярности транзистора, в другую половину периода он будет практически закрыт. Таким образом, режим класса В обеспечивает экономичность работы усилителя, а значит и больший КПД (~70 %) в результате снижения в основном тепловых потерь энергии, например, в обмотках выходного трансформатора.

На практике каскады, работающие в классе В, применяют редко, т.к. они вносят значительные нелинейные искажения, связанные с
изменением спектра усиливаемого входного сигнала, поскольку
в этом режиме рабочая точка транзистора находится на нелинейной
части его входной характеристики (рис. 4). Поэтому обычно применяется режим класса АВ, в котором транзистор выводится из состояния
«отсечки», но рабочая точка все же близка к этой области (точка Р на рис. 8а).

Из-за экономии энергии выходные каскады, потребляющие основную мощность усилителя, выгодно конструировать по двухтактным схемам с двумя транзисторами, которые находятся в состоянии,
близком к «отсечке», и попеременно усиливают разные полупериоды сигнала. В двухтактных схемах можно использовать транзисторы
одной проводимости (например, р-n-р типа), обладающие максимально близкими параметрами и работающие в одинаковых режимах,
устанавливаемых делителем из сопротивлений R1 и R2
(рис. 14).

Для разделения входного синусоидального напряжения на положительные и отрицательные полупериоды в данной схеме (рис. 14) используется фазоинвертор - трансформатор Тр1, имеющий отвод от средней точки вторичной обмотки.

 
 
  Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru   Рис. 14. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

Для сложения усиленных полупериодов входного сигнала в единый синусоидальный выходной сигнал применяется второй выходной согласующий трансформатор Тр2, к вторичной обмотке которого подключается обычно низкоомный громкоговоритель Гр, воспроизводящий весь усиленный сигнал. Недостатком трансформаторных двухтактных схем является наличие сложных намоточных устройств (трансформаторов), в которых возможны дополнительные искажения сигнала, например, вследствие потерь в их сердечниках.

В последнее время в радиоэлектронике отдаётся предпочтение бестрансформаторным усилителям низкой частоты, в которых применяют фазоинверторы и выходные каскады другого типа. Однако в двухтактных схемах можно обойтись вообще без инверторов, если использовать транзисторы разного типа, например, Т3 - р-n-р, Т4 - n-р-n (рис. 15). Нагрузкой транзистора T2 в предыдущем усилительном каскаде, собранном по схеме ОЭ, служат резисторы Rк2 и Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru . Совместно с участком эмиттер - коллектор этого транзистора они образуют делитель, с которого на базы транзисторов Т3 и Т4 выходного каскада вместе с усиливаемым входным сигналом подаются начальные напряжения смещения: на базу транзистора Т3 - отрицательное, а на базу транзистора Т4 - положительное (относительно их эмиттеров). Выбором добавочного резистора Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru определяется напряжение смещения между базами транзисторов Т3 и Т4 , т.е. устанавливаются рабочие токи баз этих транзисторов. Для установления режима работы усилителя мощности класса АВ необходим рабочий ток коллектора транзисторов выходного каскада, находящийся в пределах 2-3 мА. Транзисторы Т3 и Т4 выходного каскада по постоянному току соединены между собой последовательно и делят напряжение источника Е = Uкэ3 + Uкэ4 = 9 В. В случае симметричного деления относительно точки соединения эмиттеров (рис. 15) на коллекторе транзистора Т3 имеется потенциал - 4,5 В, а на коллекторе транзистора Т4 + 4,5 В, что и необходимо для работы транзисторов разного типа.

 
 
  Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru   Рис. 15. Двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности

Таким образом, вследствие симметрии в рабочих точках
этих транзисторов должны выполняться следующие условия: Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru
Транзистор Т3 (р-n-р типа) усиливает отрицательные, а транзистор Т4
(n-р-n типа) - положительные полупериоды входного сигнала. Динамическая головка громкоговорителя включается через конденсатор С3 в эмиттерные цепи обоих транзисторов и является их общей нагрузкой. Следовательно, оба транзистора включены по схеме с общим коллектором (см. лаб. работу № 2). В громкоговорителе происходит преобразование усиленных электрических колебаний низкой частоты в звуковые колебания.

Характеристики усилителя мощности

Одним из основных параметров усилителя мощности является его выходная мощность Рвых , выделяемая в нагрузке, например, в громкоговорителе: Рвых = Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru / Rгр, где Rгр – сопротивление динамической головки громкоговорителя. Максимальная выходная мощность усилителя определяется предельной мощностью Рм , рассеиваемой на транзисторах. Для транзисторов типа МП39-41 Рм ~ 150 мВт.

В режиме максимальной выходной мощности при больших амплитудах входного сигнала рабочая точка полупроводникового прибора (транзистора, диода и др.) попадает в нелинейную часть его вольт-амперной характеристики. Поэтому в этом режиме становятся большими нелинейные искажения выходного сигнала. При нелинейных искажениях в спектре усиленного сигнала появляются дополнительные составляющие (гармоники), отсутствующие во входном сигнале, управляющем электронным прибором. Степень искажения выходного сигнала за счёт появления новых спектральных гармоник на выходе усилителя определяется коэффициентом нелинейных искажений, или коэффициентом гармоник. Он представляет собой отношение корня
из суммы квадратов амплитуд высших гармонических составляющих
на выходе усилителя к амплитуде первой гармоники выходного сигнала (предполагается, что частота последней равна частоте w входного
синусоидального сигнала): Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru .
Значение коэффициента нелинейных искажений g зависит от
выбора рабочей точки транзистора. На практике применяется
понятие номинальной выходной мощности Рном , для которой
коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала не
превышает 3-5 %. Номинальной выходной мощности соответствует номинальное выходное напряжение Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru , создаваемое нанагрузке.

П р и м е р: для создания Рном = 50 мВт = 0,05 Вт в динамической головке громкоговорителя с Rн = Rгр=10 Ω необходимо напряжение
Uном = 0,71 В.

Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru Чувствительность усилителя Uч определяется напряжением, поданным на вход усилителя, при котором на его выходе создаётся номинальная мощность Рном. Теоретически величина чувствительности определяется из соотношения Uч º U вх ном = Uвых ном / К. Таким образом, при заданной выходной мощности чувствительность усилителя определяется его коэффициентомусиления К = К1 · ... · Кn , завися-щим от числа n усилительных каскадов (3.1). На практике для получения коэффициента усиления порядка 200 требуется, как правило, трехкаскадный усилитель (n = 3). УНЧ усиливает электри-ческие колебания частот, расположенных в определённом интервале (20-20 000 Гц). Его коэффициент усиления К является практически постоянным в области частот fн < f < fв и уменьшается, если он выходит за ее пределы (см. рис. 16).

Значение нижней граничной частоты fн определяется разделительными ёмкостями С1 и С2 в первых двух каскадах усилителя (2.7). Уменьшение коэффициента усиления К (“завал”) на высоких частотах (f > fв) обусловлено межэлектродными ёмкостями всех транзисторов
Скб , Сбэ и Сэк , а также паразитной ёмкостью монтажа См. Зависимость К(f) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а граничные частоты fн и fв определяют частотный диапазон (полосу пропускания) Df усилителя (рис. 16).

Таким образом, линейные искажения УНЧ, связанные с неравномерностью усиления разных частот (или гармоник) входного
сигнала, обусловлены наличием реактивных элементов (для данного усилителя, в частности ёмкостей), проявляющих свои свойства, в особенности за пределами полосы пропускания (при f < fн и f > fв соответственно).

2. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

1.­Возьмите транзисторы: Т3 р-n-р типа (МП39-МП42) и Т4 n-p-n типа (МП35-МП38). С помощью ЭВМ определите параметры транзистора Т3 в рабочей точке Iкр = 1,5 мА, Uкэр = 4,5 В.

Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru 2.­Рассчитайте величину сопротивления из соотношения: Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru

3.­Рассчитайте коэффициенты усиления Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru отдельных каскадов и коэффициент усиления К Т всего усилителя по формулам

Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru = (b1 / Rвх1) [(1 / Rвых1) + (1/ Rк1) + (1/ Rвх2)],

Rвх1 = Rбэ1, Rвых1 = Rкэ1;

Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru = (b2 / Rвх2) [(1/ Rвых2) + (1/ Rк2 + Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru ) + (1/ Rвх3)],

Rвх2 = Rбэ2, Rвых2 = Rкэ2;

Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru = 1 / [1 + (Rбэ3 / Rн (1 + b3)],

Rвх3 = Rбэ3 + (1 + b3) Rн , Rн = Rгр, Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru

4. Оцените теоретическое значение номинального выходного
напряжения Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru и чувствительности Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru усилителя для
Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru = 10 мВт и Rн = 9 Ом.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Лабораторная работа № 4

П р и б о р ы и о б о р у д о в а н и е:см. лаб. работу № 2.

Вопросы при допуске к работе

1.­Укажите положение рабочей точки транзистора на его нагрузочной прямой в различных режимах работы каскада. Назовите достоинства и недостатки этих режимов.

2.­Объясните принцип работы однотактных (рис. 13) и двухтактных (рис.14) трансформаторных и бестрансформаторных (рис. 15) усилителей мощности.

3.­В каком режиме должен работать усилитель малой (большой) мощности? В каком режиме работает однотактный усилитель мощности (рис. 13)? Oтвет поясните.

4.­Для каких целей в усилителях мощности применяются трансформаторы (рис. 13 и 14)? Можно ли обойтись без них во входной (выходной) цепи?

5.­Каким образом в усилителе мощности (рис. 15) устанавливается режим класса АВ? Объясните, из каких соображений проводится расчёт добавочного сопротивления Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru во втором усилительном каскаде.

6.­Объясните, почему, если ток Iк3 будет больше (меньше) указанного значения, необходимо соответственно увеличивать (уменьшать) сопротивление Характеристики и параметры биполярного транзистора - student2.ru в схеме на рис. 15.

7.­Как можно добиться симметрии двухтактной работы выходного каскада (рис.15)?

8.­Почему в выходном каскаде УНЧ (рис. 15) оба транзистора (Т3 и

Наши рекомендации