Экспериментальные данные выходных ВАХ транзистора

1.4.5 Снять амплитудную характеристику U_ВЫХ(U_ВХ) однокаскадного усилителя переменного напряжения на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером.

Данный этап исследования выполняется в следующей последовательности:

1) на коммутационной панели стенда переключатель S12 установить в положение "~U_ВХ", а ручки регуляторов напряжений U_BX и E_К установить на отметки "0";

2) переключатели S2, S5, S6, S7, S9, S11, S16 замкнуть, а переключатели S1, S3, S4, S8, S10 установить в разомкнутое положение, переключатель S14 установить в положение "ОЭ" (схема с общим эмиттером), что приведет к образованию схемы, изображенной на рисунке 1.4;

3) подключить милливольтметр переменного тока к гнездам Х1 и Х2 для измерения входного напряжения U_ВХ, а к гнездам Х3 и Х4 подключить параллельно вольтметр и электронный осциллограф;

4) ручкой регулятора напряжения Е_К установить напряжение питания усилителя –10 В;

Рис. 1.4. Принципиальная электрическая схема (упрощенная)

для снятия амплитудной характеристики транзисторного

однокаскадного усилителя переменного напряжения

5) поворачивая ручку регулятора напряжения U_ВХ, на вход усилителя подать напряжение U_ВХ, поочередно устанавливая значения напряжения, заданные преподавателем;

6) для каждого значения напряжения U_ВХ измерить вольтметром величину выходного напряжения U_ВЫХ и результаты измерений записать в таблицу 1.3, а также зафиксировать величину входного напряжения, при котором на экране осциллографа появятся искажения формы выходного сигнала;

7) по данным эксперимента построить амплитудную характеристику усилителя и определить коэффициент усиления каскада K_U(f=const) при отсутствии нелинейных искажений (линейный участок характеристики).

Таблица 1.3

Экспериментальные данные амплитудной характеристики (f = const)

1.5 Сводка основных формул (методики расчета).

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор трехслойной структуры р-п-р или п-р-п-типов с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами. Его усилительные свойства основаны на управлении движением носителей зарядов в полупроводниковом кристалле.

Как показано на рисунке 1.5, один из наружных слоев, инжектирующий основные носители тока в приборе (дырки или электроны) называется эмиттером. Другой наружный слой, принимающий эти заряды, называется коллектором. Промежуточный слой, называемый базой, выполняет функции управляющего электрода, регулируя поток зарядов и, следовательно, значение тока, протекающего через прибор.

а) р-п-р-транзистор б) п-р-п-транзистор

Рис. 1.5. Структуры и условные графические обозначения

биполярных транзисторов

На основе транзистора создаются различные электронные каскады (усилители тока и напряжения, генераторы, логические и импульсные устройства), в которых осуществляется процесс преобразования энергии источника в энергию выходного сигнала.

В зависимости от того, вывод какого слоя транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы включения с общим эмиттером(ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ). Для усиления напряжения используется каскад с включением транзистора по схеме с ОЭ.

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером основные составляющие токов связаны между собой соотношениями

,

,

,

где – коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ; α – коэффициент, определяющий долю тока эмиттера, диффундирующего в базовый слой (в схеме с ОБ называется коэффициентом передачи тока); I_Б, I_К, I_Э, I_КО – токи базы, коллектора, эмиттера, обратный ток коллектора.

Как видно из рисунка 1.6, взаимосвязь между токами и напряжениями для схемы с общим эмиттером на выводах транзистора описывается статическими вольтамперными характеристиками, примерный вид которых изображен на рисунке 1.7.

а) схема движения зарядов б) принципиальная схема

Рис. 1.6. Усилительный каскад с общим эмиттером

на р-п-р-транзисторе

На выходной характеристике точка А соответствует режиму отсечки (I_Б = 0, I_К = I_КО), когда почти все напряжение питания Е_К приложено к коллектору; точка Б соответствует режиму насыщения, когда сопротивление транзистора мало и через него протекает ток насыщения I_{К НАС}, при этом падение напряжения U_{КЭ НАС} невелико.

Участок АБ соответствует активному режиму, когда транзистор работает как усилительный элемент.

Следовательно, схема с ОЭ обеспечивает большое усиление по току, т.к. при α = 0,95–0,995 β = 10–500.

а) входные ВАХ б) выходные ВАХ

Рис. 1.7. Статические характеристики биполярного транзистора

В усилителе переменного напряжения, схема которого представлена на рисунке 1.8, резисторы R1, R2 предназначены для установления рабочей точки транзистора в состоянии покоя. При этом осуществляется линейный режим работы транзистора. Через резистор R3 на коллектор подается напряжение источника питания Е_К. Переменная составляющая тока i_К создает на резисторе R3 падение напряжения, амплитуда которого равна амплитуде выходного сигнала u_m.вых.

Резистор R4 служит для осуществления отрицательной обратной связи по постоянному току с целью температурной стабилизации. Конденсаторы С1, С2 разделяют переменный (усиливаемый) сигнал от постоянных напряжений входной и выходной цепей. Конденсатор С3 предназначен для устранения отрицательной обратной связи по переменному сигналу.

Зависимость выходного напряжения u_ВЫХот входного u_ВХ при фиксированной частоте (f = const), график которой показан на рисунке 1.9 а, называют амплитудной характеристикой усилителя.

При подаче на вход усилителя синусоидального сигнала большой амплитуды u_ВХ>u_ВХ.MAX возникают нелинейные искажения выходного сигнала. Основной причиной этих искажений является нелинейность характеристик биполярного транзистора. На графике амплитудной характеристики можно выделить три области.

Рис. 1.8. Однокаскадный транзисторный усилитель напряжения

переменного тока на биполярном р-п-р транзисторе

а) б) а

Рис. 1.9. Характеристики транзисторного усилителя

напряжения переменного тока

В первой области (I), из-за собственных шумов элементов схемы, практически невозможно выделить полезный сигнал на фоне случайных колебаний входного напряжения.

Во второй области (II) зависимость между амплитудами u_ВЫХи u_ВХ, носит линейный характер, когда выходной сигнал повторяет форму входного (на экране осциллографа видна неискаженная синусоида). При этом u_ВЫХ = К_U u_ВХ.

В третьей области (III) амплитуда u_ВЫХ ограничивается на некотором уровне u_ВЫХ.MAX, зависящем от напряжения источника питания. Неправильный выбор тока покоя I_Б0 транзистора приводит к ограничению либо положительной, либо отрицательной полуволны усиливаемого сигнала.

Коэффициент усиления по напряжению К_U зависит от частоты f усиливаемого сигнала. Это обусловлено наличием в каскаде конденсаторов, емкостные сопротивления которых зависят от частоты.

Разделительные конденсаторы С1 и С2 на низких частотах снижают коэффициент усиления усилителя с RС-связями. Чем меньше частота, тем больше сопротивление конденсаторов и падение напряжений на них. Отсюда снижение напряжения u_БЭ и выходного напряжения u_ВЫХ.

На высоких частотах происходит уменьшение коэффициента усиления из-за паразитных емкостей. К ним относятся емкости монтажа и р-п-переходов транзистора. При очень высоких частотах коэффициент усиления падает до нуля.

Диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления превышает значение 0,707 своего максимального значения К_О, называется диапазоном средних частот. Это свойство усилителя описывается амплитудно-частотной характеристикой, типичный график которой представлен на рисунке 1.9 б.

По амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) определяют следующие величины, характеризующие эксплуатационные свойства усилителя:

· максимальный коэффициент усиления К₀,

· верхнюю f_В и нижнюю f_Н граничные частоты,

· полосу пропускания Df = (f_В – f_Н).

Коэффициент усиления каскада можно целенаправленно изменить введением обратной связи, т.е. подачей выходного сигнала или его части на вход усилителя. Различают положительную обратную связь (ПОС), когда выходной сигнал суммируется со входным (сигналы совпадают по фазе), и отрицательную обратную связь (ООС), когда выходной сигнал ослабляет входной. Обратная связь бывает по напряжению и по току.

Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления, но ухудшает стабильность работы усилителя и сужает полосу пропускания частот. Поэтому в усилителях ПОС практически не применяется.

Отрицательная обратная связь снижает коэффициент усиления, однако применяется в усилителях очень часто. При ООС повышается стабильность коэффициента усиления, расширяется частотный диапазон, снижается уровень нелинейных искажений, повышается входное сопротивление усилителя и снижается выходное сопротивление.

Для стабилизации тока покоя базы транзистора при колебаниях его температуры применяется последовательная ООС по току (рис. 1.10).

При повышении температуры транзистора снижается сопротивление запирающих слоев коллекторного и эмиттерного р-п-переходов, что вызывает увеличение коллекторного тока. Так как входное напряжение u_ВХ неизменно, напряжение U_БЭ снизится, что вызовет снижение тока транзистора. При снижении температуры все наоборот, т.е. реализуется зависимость

u_БЭ = u_ВХ – u_OC.

Рис. 1.10. Температурная стабилизация каскада ООС по току

Чтобы устранить ООС для полезного переменного сигнала, резистор R_Э в цепи эмиттера шунтируется конденсатором С_Э большой емкости, чтобы выполнялось условие

X_Сэ = 1/2πf_ВС_Э ≈ 0.

Многокаскадный усилитель