Материал: А27463 Дорошков А.В. Теория и компьюторное моделирование устройств электроники Учеб. пособие 2006

2. Исследование режимов работы усилительного каскада на биполярном транзисторе

Режим класса А

2.1. Собрать лабораторную установку рис. 2.8. Установить частоту источника переменного сигнала ; напряжение ; . Настроить осциллограф, как показано на рис. 2.9.

2.2. Получить разрешение на включение лабораторной установки у инженера и снять осциллограммы напряжений при работе транзистора в режиме класса А. Определить двойной размах входного и выходного сигналов при помощи осциллографа и рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению:

.

Рис. 2.8. Схема установки для исследования режимов работы усилительного каскада

Рис. 2.9. Осциллограмма напряжений на коллекторе (вверху) и на базе (внизу) транзистора

Режим класса АВ

2.3. В лабораторной установке рис. 2.8 установить частоту источника переменного сигнала ; напряжение ; . Настройки осциллографа оставить без изменения. Получить разрешение на включение лабораторной установки у инженера и изменяя величину напряжения смещения добиться тока покоя коллектора приблизительно в 10 раз меньше тока насыщения коллектора ().

2.4. Установить напряжение источника сигнала и снять осциллограммы напряжений при работе транзистора в режиме класса АВ. Определить коэффициент усиления амплитуды положительной полуволны входного напряжения.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Программа работы.

3. Принципиальные электрические схемы всех лабораторных установок.

4. Временные диаграммы и таблицы с экспериментальными данными.

5. Краткие выводы по работе.

Контрольные вопросы

При допуске к лабораторной работе:

1. Какова цель и программа работы?

2. Как на электрических схемах обозначаются биполярные транзисторы npn-типа?

3. Как на электрических схемах обозначаются биполярные транзисторы pnp-типа?

4. Как взаимосвязаны токи коллектора , эмиттера и базы в биполярном транзисторе?

5. Как связан ток коллектора с током базы , если пренебречь обратным током коллекторного перехода?

6. Что такое коэффициент передачи тока базы  в схеме ОЭ?

7. Что является основными носителями в полупроводнике n-типа, а что является неосновными носителями?

8. Что является основными носителями в полупроводнике p‑типа, а что является неосновными носителями?

9. Как связан ток коллектора I_K с током базы I_Б и обратным током I_0K коллектора базового перехода биполярного транзистора?

10. Что называется входной вольтамперной характеристикой биполярного транзистора (в схеме ОЭ)?

11. Что называется проходной характеристикой транзистора?

12. Что представляет собой состояние отсечки транзистора?

13. Что представляет собой состояние насыщения транзистора?

При защите лабораторной работы необходимо знать ответы на все вышеприведенные вопросы и, кроме того, необходимо знать ответы на следующие вопросы:

1. Почему для реализации усилителя переменного тока наряду с полезным сигналом необходимо подавать напряжение смещения?

2. При каком напряжении между базой и эмиттером кремниевый npn-транзистор находится в открытом состоянии (примерно)?

3. Как выбирается режим работы транзистора по постоянному току?

4. При каких условиях транзистор работает в режиме класса А?

5. При каких условиях транзистор работает в режиме класса В?

6. При каких условиях транзистор работает в режиме класса АВ?

7. От чего зависит коллекторный ток насыщения транзистора?

8. Как влияет величина источника питания на проходную характеристику транзистора?

9. Как влияет величина коллекторного сопротивления на коэффициент усиления транзистора?

Т е м а 3

Задание режимов работы усилительных каскадов переменного тока на биполярных транзисторах Теоретические сведения

Надлежащая работа усилительного каскада переменного тока на биполярном транзисторе возможна только при правильно выбранном режиме работы его транзистора по постоянному току.

Режим работы транзистора по постоянному току определяется парой величин – током покоя коллектора и напряжением покоя коллектора , т. е. напряжением между коллектором и эмиттером. Ток и напряжение покоя не должны сильно изменяться при изменениях температуры окружающей среды, т.е. должна обеспечиваться термостабильность каскада.

На рис. 3.1 – 3.4 приведены четыре схемы усилительных каскадов переменного тока с общим эмиттером (ОЭ), в которых режим работы транзистора по постоянному току задан различными способами. Соответственно способу задания и получили название эти схемы:

– усилительный каскад с ОЭ и фиксированным потенциалом базы (рис. 3.1);

– усилительный каскад с ОЭ и фиксированным током базы (рис. 3.2);

– усилительный каскад с ОЭ и отрицательной обратной связью по напряжению (рис. 3.3);

– усилительный каскад с ОЭ и отрицательной обратной связью по току (рис. 3.4).

Всем приведенным схемам свойственна одна общая закономерность – между базой и эмиттером их транзисторов создается напряжение вида:

U_БЭ (t) = U_oБ + U_ВХ(t), (3.1)

где – напряжение смещения (составляет 0,5…0,8 В, в зависимости от типа транзистора); U_ВХ(t) – переменный входной сигнал.

Рис. 3.1. Усилительный каскад с ОЭ и фиксированным потенциалом базы

Благодаря именно такому виду базоэмиттерного напряжения выходное напряжение каскада (между коллектором и эмиттером) получается в виде суммы постоянной и переменной U_K(t) составляющих:

U_KЭ (t) = U_oK + U_K(t). (3.2)

При этом переменная составляющая напряжения U_K(t), является усиленной и инвертированной копией входного переменного сигнала U_ВХ(t).

В усилительном каскаде с ОЭ и фиксированным потенциалом базы (рис. 3.1) напряжение смещения задается при помощи резистивного делителя R1, R2 и вызывает появление тока покоя базы . Ток покоя коллектора и напряжение покоя определяются следующим образом:

, (3.3)

где β – коэффициент передачи тока базы.

. (3.4)

Подлежащий усилению входной сигнал U_ВХ(t) подается на базу транзистора (точнее прикладывается к базоэмиттерному переходу) через разделительный конденсатор . Благодаря этому исключается влияние источника входного напряжения на величину напряжения смещения .

Для того чтобы в нагрузку не проходила постоянная составляющая коллекторного напряжения ставят выходной разделительный конденсатор .

Таким образом, благодаря разделительным конденсаторам и достигается разделение цепей постоянного и переменного токов в усилительном каскаде на биполярном транзисторе.

Схема усилительного каскада с ОЭ и фиксированным током базы представлена на рис. 3.2. Фиксация тока покоя базы в этой схеме осуществляется при помощи резистора :

. (3.5)

Задав ток покоя базы, мы задаем ток покоя коллектора и напряжение покоя . Эта пара величин связана с током покоя базы уравнениями (3.3) и (3.4).

Конденсаторы и , как и в схеме на рис. 3.1, выполняют роль разделительных.

Схемы усилительных каскадов с фиксированным напряжением и током базы (рис. 3.1 и рис. 3.2) обладают большим недостатком – у них низкая термостабильность. При изменении температуры окружающей среды, например при ее увеличении, за счет обратного тока возрастает ток покоя транзистора. Это приводит к уменьшению напряжения покоя коллектора, и оно может стать очень малым из-за входа транзистора в состояние насыщения. В итоге каскад становится неработоспособным.

Рис. 3.2. Усилительный каскад с ОЭ и фиксированным током базы

Количественно термостабильность каскада оценивается коэффициентом нестабильности

(3.6)

где – приращение обратного тока коллекторно-базового перехода, – приращение тока коллектора, вызванные изменениями обратного тока .

И схема с фиксированным потенциалом базы (рис. 3.1) и схема с фиксированным током базы (рис. 3.2) имеют очень большой коэффициент нестабильности. У них .

Радикальным способом улучшения термостабильности усилителей переменного тока является введение отрицательных обратных связей по напряжению (рис. 3.3) и по току (рис. 3.4).

В схеме рис. 3.3 отрицательная обратная связь по напряжению достигается за счет подключения базового резистора к коллектору транзистора. Это незначительно снижает коэффициент усиления каскада по напряжению, но повышает термостабильность. Действительно, если предположить, что при увеличении температуры произошло увеличение тока покоя коллектора, то это должно привести к уменьшению напряжения покоя .

Рис. 3.3. Усилительный каскад с ОЭ и отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению

В свою очередь, уменьшение напряжения должно вызвать уменьшение тока покоя базы, так как

(3.7)

Соответственно, уменьшение тока покоя базы обусловливает уменьшение тока покоя коллектора, так как .

Таким образом, в схеме действует отрицательная обратная связь, препятствующая большим изменениям тока покоя коллектора при воздействии дестабилизирующих факторов.

Коэффициент нестабильности этой схемы существенно меньше, чем в схемах на рис. 3.1 и 3.2 и выражается формулой

. (3.8)

Чем меньше величина резистора , тем лучше стабильность схемы, но это приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению. На практике обычно ищут компромисс.

В схеме на рис. 3.4 отрицательная обратная связь по току получается за счет введения сопротивления в цепь эмиттера. Чем больше величина , тем лучше термостабильность, но это уменьшает коэффициент усиления каскада по напряжению, так как