Усилительные каскады на биполярных транзисторах

При использовании транзистора в усилительном режиме на выходе усилителя мощность электрических сигналов значительно пре­вышает мощность входного сигнала за счет передачи в нагрузку энергии источника питания. Существуют три типа усилительных каскадов на транзисторах: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой. Наибольшее распространение получили усилительные каскады с общим эмиттером (коллекторной нагрузкой), так как они обеспечивают большое усиление по напряжению, току и мощности (рис.15).

Рис. 15

Выбор биполярного транзистора проводится по ряду требова­ний, предъявляемых к усилителю. К числу этих требований относят­ся: мощность, отдаваемая в нагрузку, коэффициент усиления, час­тота усиливаемых сигналов f. Для нормальной работы усилителя необходим транзистор, для которого выполняются соотношения: f_гр>f, >К, Р_{к max}>Р. Выбор питающего напряжения Е_к прово­дится из условия Е_к < U_{кэ max}. Дальнейший расчет сводится к опре­делению параметров элементов R_к, R_б, С_вх, С_вых.

Для выходной (коллекторной) цепи можно записать уравнение по 2-му закону Кирхгофа:

, (2)

откуда выражение описывает ВАХ коллекторного резистора R_к (линию нагрузки). Линяя нагрузки строится по двум точ­кам В и С (рис.14): при U_кэ = 0 на оси ординат наносится точка В (I_к = Е_к /R_к), при I_к=0 на оси абсцисс наносится точка С (U_кэ = Е_к). Точка пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками дает графическое решение уравнения (2) и позволяет построить динамическую переходную характеристику I_к = f(I_б). В качест­ве динамической входной характеристики используется одна из ста­тических характеристик I_б = f(U_бэ), так как их семейство практи­чески сливается в одну линию.

Выбор R_к проводится таким образом, чтобы линия нагрузки не выходила за пределы рабочей области транзистора и в то же время обеспечивалась линейность динамической переходной харак­теристики. Так при малых R_к должно выполняться условие , а при больших недопустима малая крутизна переход­ной характеристики.

Резистор R_б, включенный в цепь базы, задает рабочую точку А транзистора. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для входной цепи резистор R_б позволяет выбрать такое значение , при котором рабочая точка А находится посередине линейного участка переходной характеристики. Рабочей точке соответствуют постоянные токи и напряжения I_б0, U_бэ0, I_к0, U_кэ0 (рис. 14).

Конденсаторы С_вх, С_вых предназначены для разделения переменных усиливаемых сигналов U_вx, U_вых и постоянных напряжений U_бэ0, U_кэ0.
Эти напряжения не должны поступать на источник входного сигнала
(e, r_вн) и нагрузку (R_н), чтобы не оказывать влияния на их ра­боту. Выбор емкости С конденсатора проводится таким образом, чтобы для входных сигналов минимальной частоты f_min сопротив­ление конденсатора было равно 0.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напря­жения U_вх возникает переменный ток базы i_б,который в соответ­ствии с переходной характеристикой приводит к возникновению пе­ременного тока коллектора i_к. Ток коллектора создает на резисторе R_к падение напряжения, которое является выходным. Важнейшая характеристика усилительного каскада – коэффициент усиления по напряжению К_U=U_вых/U_вх.Так как предел измерения выходного напряжения порядка единиц вольт, а входное напряжение измеряется в милливольтах (рис. 14), то коэффициент усиления может достигать сотен единиц.

При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за предел линейных участков переходной и динамической входной характеристик, в результате чего форма выходного напряжения претерпевает значительные искажения. Эти искажения, обусловленные нелинейностью указанных характеристик, называются нелинейными. Для оценки допустимого диапазона изменения вход­ных напряжений используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от входного (рис.16). Линейный участок амплитудной характеристики позволяет определять диапазон входных напряжений, при которых отсутствуют нелинейные искажения.

Рис. 16

При работе усилительного каскада в линейном режиме основныепараметры могут быть найдены аналитически из эквивалентной схемыкаскада с ОЭ (рис.17).

Рис. 17

Так как R_б>>h₁₁,то входное сопротивление усилительногокаскада равно:

.

Выходное сопротивление равно:

.

При Р_н= ∞ в режиме холостого хода (XX) коэффициент усиленияпо напряжению К_Uхх= h₂₁R_к/h₁₁.

При работе нанагрузку R_н коэффициент усиления равен:

К_U=R_нК_Uхх /(R_вых+R_н).

Коэффициент усиления по току каскада:

.

Коэффициент усиления по мощности К_Р= К_U K_I.

Существенным недостатком транзисторов является зависимость ихпараметров от температуры. При повышении температуры увеличивается коллекторный ток за счет возрастания числа неосновных носителейзаряда в полупроводнике. Это приводит к изменению кол­лекторной характеристики транзистора и смещению рабочей точки. В некоторых случаях повышение температуры может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нормальная работа усилителя нарушается. Для уменьшения влияния температуры в цепь эмиттера включают резистор R_э, шунтированный конденсатором (рис.18).

Для создания начального напряжения смещения U_бэ0 используют делитель на резисторах R_б1, R_б2. Для напряжения U_бэ0 можно записать выражение:

.

Рис. 18

Повышение температуры приводит к повышению I_э,увеличению R_эI_э. Это вызывает уменьшение U_бэ0, снижает I_б0, и в соответствии с переходной характеристикой приводит к уменьшению I_к0. Как видим, в данной схеме при изменении температуры ток коллектора автоматически поддерживается постоянным.

Однако введение резистора R_э в схему поменяет работу уси­лительного каскада и при наличии входного напряжения. Переменная составляющая эмиттерного тока I_э создает на резисторе R_э па­дение напряжения, которое уменьшает входное усиливаемое напряжение, непосредственно подводимое к транзистору U_бэ = U_вх – R_эi_э.

Коэффициент усиления каскада при этом будет уменьшаться. Для ослабления этого явления включают конденсатор С_э. Емкость кон­денсатора выбирают таким образом, чтобы для всех частот усили­ваемого напряжения его сопротивление было много меньше R_э. При этом падение напряжения на участке C_э//R_э от переменной составляющей i_э будет незначительным и усиливаемое напряжение будет практически равно входному напряжению U_бэ U_вх.

Широкое применение находят усилительные каскады с общим коллектором (рис.19).

В схеме при отсутствии входного напряжения проходят токи: в цепи базы – I_б0,который задается делителем напряжения R_б1, R_б2; в цепи эмиттера – I_э0, который создает на R_э падение напряжения I_э0R_э. При подаче входного напряжения u_вх напряжение на резисторе R_э равно: .

Переменное напряжение i_эR_э = U_вых подается через конденсатор связи на выход усилителя. Так как U_вх U_вых, токаскад называют эмиттерным повторителем.

; К_U 1;

R_вх = h₁₁/(1-K_U) – очень велико и достигает сотен кОм;

R_вых h₁₁/(1+ h₂₁) – очень мало и составляет десятки Ом.

Рис. 19

Эмиттерный повторитель применяется для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным сопротивлением нагрузки.

Усилительный каскад с ОБ находит меньшее применение вследствие малого входного и большого выходного сопротивлений и от­сутствия усиления по току. Он применяется на высоких частотах.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Стенд состоит из блока питания, генератора синусоидального сигнала частотой 1000 Гц и транзисторных каскадов.

Блок питания состоит из: двух стабилизаторов напряжения +9 В для питания цифровых мультиметров, стабилизатора напряжения +12 В для питания генератора синусоидального сигнала, стабилизатора напряжения +20 В для питания транзисторных каскадов.

Каскады: c общим эмиттером (с температурной стабилизацией), с общим коллектором (эмиттерный повторитель) и каскад для снятия статических характеристик транзистора (рис.20).

Для снятия статических характеристик используется транзистор КТ608Б.

Регулировка напряжения источника питания цепи коллектора Е_к осуществляется потенциометром и контролируется вольтметром. Ток коллектора I_к измеряется миллиамперметром. Микроамперметр служит для измерения тока базы I_б.

Рис. 20

Выходное напряжение генератора с делителя 1:10 подается на регулирующий потенциометр и далее при включении тумблера на вход усилителя с общим эмиттером. Амплитуда входного сигнала и усиленного сигнала на выходе усилителя U_вых измеряется электронным милливольтметром В3-41. Для визуального наблюдения выходного сигнала используют осциллограф С1-68. При включении осциллографа и вольтметра необходимо соединять клеммы " " приборов и стенда.

Выходное напряжение генератора с делителя 1:1 подается на регулирующий сигнал потенциометр и далее при включении тумблера подается на вход усилителя с общим коллектором. Амплитуда входного сигнала и усиленный по току сигнал на выходе усилителя U_вых измеряется электронным милливольтметром. Для визуального наблюдения выходного сигнала используют осциллограф.

Снятие выходного сигнала с помощью осциллографа осуществляется следующим образом:

· подать на гнездо исследуемый сигнал;

· тумблер «Усилитель Y» – х 10;

· установить переключатель «Усиление» на значение 0,5 V/см;

· переключатель «Длительность» установить в положение 0,5 ms;

· при помощи ручек ↕ и ↔поместитьизображение сигнала в центр экрана.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Тумблером «Сеть» включить стенд, осциллограф и вольтметр.

1 Снятие статических входных и выходных характеристик транзистора КТ608Б, включенного по схеме с ОЭ (рис. 21).

Рис. 21

Потенциометром R(I_б) установить требуемый ток базы, контролируя его микроамперметром I_б, напряжение на базе контролируем милливольтметром U_б. Потенциометром R(U_к) установить требуемое значение напряжения на коллекторе, контролируя его вольтметром U_к, ток коллектора контролируем миллиамперметром I_к.

А. Снятие семейства статических входных характеристик I_б=f(U_бэ).

Снять 4 характеристики при постоянных напряжениях U_кэ = 0; 5; 10; 15 В. Ток базы изменять в пределах от 0 до100 мкА. Данные занести в таблицу 5.

Таблица 5

Uкэ, В

Iб, мкА

Uбэ, мВ

Б. Снятие семейства статических выходных характеристик I_к=f(U_кэ) припостоянных токах I_б = 30; 60; 100 мкА.

Напряжение U_кэ изменять в пределах от 0 до 20 В. Данные занести в таблицу 6. Обратить внимание на начальный участок характеристики.

Таблица 6

Iб, мкА

Uкэ, В

Iк, мкА

2 Изучение однокаскадного усилителя напряжения с ОЭ с эмиттерной температурной стабилизацией (рис. 22).

Рис. 22

Подать навход усили­теля «~U_вх», включив тумблер и изменяя амплитуду сигнала потенциометром «U». Величину U_вх и U_вых изме­рять электронным вольтметром на входных и выходных гнездах, наблюдать U_вых на экране осциллографа. Снять амплитудную характеристику U_вых= f(U_вх) в режиме холостого хода (R_н = ∞, тумблер выключателя S5 в нижнем положении) и при R_н = 1кОм (тумблер в верхнем положении). Данные занести в таблицу 7. Определить коэффициент усиления по напряжению: К_U = U_вых/U_вх.

Таблица 7

Режим XX	Измерено	Uвх
Uвых
Рассчитано	KUхх
Rн= 1кОм	Измерено	Uвх
Uвых
Рассчитано	KU

3 Изучение однокаскадного усилителя по схеме с ОК (рис. 23).

Рис. 23

Подать навход усили­теля «~U_вх», включив тумблер и изменяя амплитуду сигнала потенциометром «U». Величину U_вх и U_вых изме­рять электронным вольтметром на входных и выходных гнездах, наблюдать U_вых на экране осциллографа. Снять амплитудную характеристику U_вых= f(U_вх) в режиме холостого хода (R_н = ∞, тумблер выключателя S4 в нижнем положении) и при R_н = 1кОм (тумблер в верхнем положении). Данные занести в таблицу 8.

Таблица 8

Режим XX	Измерено	Uвх
Uвых
Рассчитано	KUхх
Rн= 1кОм	Измерено	Uвх
Uвых
Рассчитано	KU

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

В отчете должны быть:

1 Принципиальные схемы опытов 1, 2 и 3.

2 Таблицы с измеренными и вычисленными данными.

3 Построенные семейства входных I_б=f(U_бэ) при U_кэ=const и выходных I_к=f(U_кэ) при I_бэ=const характеристик; амплитудные U_вых=f(U_вх) характеристики для схем с ОЭ и ОК.

4 Вычисленные h–параметры, коэффициенты усиления K_U, входное R_вх и выходное R_вых сопротивления для схем усиления с ОЭ и ОК (см. теоретические сведения).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Каков принцип действия биполярного транзистора?

2 Чем отличается транзисторы p-n-р и n-р-n?

3 Какие схемы включения транзисторов используют? Дать сравнительную оценку каскадов с ОЭ, ОБ, ОК?

4 Объясните статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

5 Каково влияние температуры окружающей среды на ход характеристик транзистора?

6 Что такое h-параметры и как их определить по характеристикам транзистора в схеме с ОЭ?

7 Каково назначение элементов в схемах усилителей с ОЭ, ОК?

8 Какова эквивалентная схема каскада ОЭ?

9 Как определяются параметры К_U, К_I, R_вх, R_вых, К_Р?

10 Объясните построение динамических характеристик.

11 Из каких соображений выбирается рабочая точка и режим усиления каскада усилителя напряжения?

12 Какова фаза выходного сигнала относительного входного в усилителях с ОЭ и ОК и почему?

13 Каковы особенности и назначение каскада с ОК?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3