Объект исследования и основные теоретические положения

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Цель работы

Изучение схемы и работы однокаскадного усилителя напряжения переменного тока, построенного на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером, и измерение характеристик усилителя.

Объект исследования и основные теоретические положения

Усилительный каскад с емкостными связями на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером (ОЭ) широко применяется для усиления сигналов переменного тока как в исполнении на дискретных компонентах, так и в составе интегральных микросхем. На рис. 1 приведена схема каскада с ОЭ.

Рис. 1. Схема усилительного каскада с емкостной связью на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Резистор R_бв цепи базы обеспечивает ток базы покоя I_б.о, который задает требуемую точку покоя (I_к.о;U_кэ.о) в статическом режиме.

Конденсатор С₁ изолирует вход каскада по постоянному току и соединяет его с источником сигнала по переменному току. Конденсатор С₂ выполняет такую же функцию по отношению к выходу каскада и нагрузке. Оба конденсатора должны иметь достаточно малое сопротивление на частоте сигнала.

В статическом состоянии (в покое) рабочая точка характеризуется током коллектора покоя I_к.о и напряжением коллектор-эмиттер U_кэ.о. Эти значения связаны уравнением статической линии нагрузки (см. рис. 2):

U_кэ.о = E_к – I_к.о·R_к. (1)

В свою очередь, ток коллектора определяется уравнением

I_к = βI_б + h_22эU_кэ. (2)

Коэффициент передачи тока базы β обозначают также h_21э.

Выходную проводимость h_22э принять равной 0,03мСм.

Выберем напряжение коллектор-эмиттер U_кэ.о = 0,25 E_к. Из этого условия можно вычислить ток коллектора в статическом режиме I_к.о:

. (3)

и ток базыI_б.о:

, (4)

после чего рассчитать сопротивления R_б:

. (5)

Резистор R_ос, как правило, имеет небольшое сопротивление и не влияет на статический режим. Но он оказывает заметное влияние на переменном токе, так как является элементом отрицательной обратной связи.

Рис. 2. Статическая и динамическая линии нагрузки

Для переменного тока (т.е. сигнала) реактивное сопротивление конденсатора С₂ мало и поэтому сопротивления нагрузки и коллектора включены параллельно: R_к.н= R_к||R_н. Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада в области средних частот равен

. (6)

Без резистора R_ос в цепи эмиттера входное сопротивление транзистора минимально и равно R_вх.тр = h_11э, и усиление максимально. Резистор R_ос увеличивает R_вх.тр:

R_{вх.тр.ос} = h_11э + (h_21э + 1)R_ос (7)

и во столько же раз снижает усиление:

. (8)

Величину R_ос выбирают, исходя из заданного коэффициента усиления K_u.oс.

В области низких частот (НЧ) усиление каскада уменьшается из-за влияния разделительных конденсаторов C₁ и C₂:

, (9)

где τ_н – постоянная времени усилителя в области НЧ.

Нижняя граничная частота, на которой усиление уменьшается в раз, равна

. (10)

Величина τ_н определяется постоянными времени двух цепей, в которые входят указанные выше конденсаторы:

. (11)

Здесь постоянная времени входной цепи равна

t_н1 = R_{вх.тр.ос}·C₁, (12)

где R_{вх.тр.ос} – входное сопротивление каскада с учетом влияния О.О.С.,

постоянная времени выходной цепи равна

t_н2 = (R_к + R_н)·C₂. (13)

Исходя из заданной нижней частоты усилителя f_н, из (10) можно определить требуемую величину постоянной времени τ_н и найти значения t_н1 и t_н2. Целесообразно принять постоянные времени обеих цепей одинаковыми: t_н1 = t_н2 = 2 t_н, после чего рассчитать емкости конденсаторов по формулам (12) и (14).

С повышением частоты также происходит уменьшение коэффициента усиления по сравнению с областью средних частот:

, (14)

где t_в – постоянная времени усилителя в области высоких частот (ВЧ).

Снижение усиления на ВЧ обусловлено двумя факторами:

1) уменьшением модуля дифференциального коэффициента передачи тока по сравнению с h_21э;

2) влиянием выходной емкости транзистора С_вых и емкости нагрузки С_н, шунтирующих выходную цепь усилителя.

Поэтому t_в определяется и частотными свойствами транзистора (с учетом О.О.С.), и паразитными емкостями.

Верхняя частота усилителя f_в, на которой усиление уменьшается в раз по сравнению с областью средних частот, равна

. (15)