Теоретическое введение

Исследование характеристик биполярных транзисторов и однокаскадных усилителей

Цель работы

Исследование характеристик биполярных транзисторов и характеристик однокаскадных транзисторных усилителей; приобретение навыков снятия характеристик биполярных транзисторов и транзисторных усилителей.

Теоретическое введение

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами, - для усиления мощности электрических сигналов, имеющий три вывода. Биполярные, транзисторы представляют собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом электропроводности слоев. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов р-n-р и n-р-n ). На рисунке 2.1, а, б схематически показано устройство и условные графические изображения биполярных транзисторов. Центральная область биполярного транзистора называется базой Б, две других области называются эмиттером Э и коллектором К, соответственно, различают эмиттерный и коллекторный p-n -переходы. К эмиттерному переходу напряжение прикладывается в прямом (проводящем) направлении. Величина его незначительна (0,2 0,7 В). К коллекторному переходу напряжение прикладывается в обратном (запирающем) напряжении поэтому оно сравнительно велико (5 10 В). Электрическая работа транзистора подробно описывается с помощью семейства его статических вольтамперных характеристик (ВАХ). Практический интерес представляют зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Рисунок 2.1 - Транзисторы типа р-n-р (а) и n-р-n (б)

Наибольшее распространение из схем включения транзисторов получила схема с общим эмиттером (ОЭ), представленная на рисунке 2.2.

Для схемы с ОЭ входными статическими характеристиками являются зависимости (при ), рисунок3.3,а, а выходными (при ),

см. рисунок 2.3, б. Так как входные характеристики при изменении в широких пределах изменяются незначительно то обычно пользуются одной характеристикой , соответствующей некоторому среднему значению .

Рисунок 2.2 - Схема включения транзисторов n-р-n типа с общим эмиттером

Если входной сигнал имеет небольшую величину и приращения малы, то работа усилителя будет проходить на линейных участках входных и выходных характеристик. В этом случае транзистор можно предствить в виде линейного четырехпролюсника. Связь между входными и выходными токами и напряжениями в иквивалентном четырехполюснике выражается системой уравнений

где коэффициенты называются h- параметрами транзистора и используются для определения его физических параметров. h -параметры могут быть получены эксперементально, а также из стаатических ВАХ на линейных участках вблизи рабочей точки. Параметры и определяются по входным характеристикам

-входное сопротивление транзистора

-коэффициент внутренней обратной связи

Параметры и рассчитываются по выходным характеристикам.

-коэффициент усиления по току ()

-выходная проводимостьтранзистора

Так как входное напряжение мало зависит от выходного , то . Диапазон параметров представлен в таблице 2.1 для схемы с общим эмиттером и эмиттерного повторителя. Учитывая, что нелинейный элемент (транзистор) рассматривается в линейном приближении, необходимо накладывать определенные ограничения на рабочую область характеристики. При работе на высоких частотах коэффициент усиления по току из-за инерционности носителей заряда уменьшается. Кроме того, на повышенных частотах начинает сказываться влияние межэлектродной емкости коллекторного р-n-перехода. Схема замещения транзистора h-параметрах при представлена на рисунке 2.4.

За счет использования энергии постоянного напряжения происходит значительное увеличение мощности на выходе усилителя. Конденсаторы и служат для разделения сигнала - предотвращают попадание на вход каскада и на нагрузку постоянной составляющей тока. Величины сопротивлений , и напряжение определяют положение рабочей точки на характеристиках транзистора в режиме покоя и начальные значения .

а) б)

Рисунок 2.3 - Входные (а) и выходные (б) статические характеристики

Рисунок 2.4 - Схема замещения транзистора

Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером приведена

на рисунке 2.5. Напряжение отисточника с переменной ЭДС подается на вход каскада.

Рисунок 2.5 - Усилительный каскад с общим эмиттером

Наиболее простым методом расчета основных параметров усилителя (коэффициента усиления по току , по напряжению , входного и выходного сопротивлений) является графоаналитический метод, при котором выбор рабочей точки производится графически, а для расчета других параметров пользуются h-параметрами транзистора.

При графическом определении режима работы транзистора пользуются следующим алгоритмом (рисунок 2.6): На выходных характеристиках проводим линию нагрузки, в соответствии с уравнением , и по точкам пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками транзистора строим переходную характеристику усилителя . Рабочую точку (РТ) покоя выбираем в средней части линейного участка характеристики аб, что соответствует примерно середине рабочего участка линии нагрузки а_Iб_I. Рабочей точке покоя соответствуют значения =300мА, =10В, =300мкА. По входной характеристике (рисунок З.3) определяем по найденной величине . Для создания требуемого тока базы находим сопротивление базы по формуле:

По переходной характеристике также можно определить те ограничения, которые накладываются на величину входного сигнала для работы усилительного каскада в линейном режиме (без искажения формы передаваемого сигнала). Врассматриваемом примере амплитуда входного тока не должна превышать 300 мкА, иначе возникнут искажения выходного сигнала.

Рисунок 2.6 - Построение линии нагрузки и переходной характеристики

На рисунке 2.5 показано приблизительное распределение потенциалов (потенциальная диаграмма усилительного каскада) в различных точках каскада. Так если , то потенциал коллектора потенциал базы . Для расчета основных параметров усилителя необходимо определить h-параметры по соответствующим характеристикам вблизи рабочей точки. И с их помощью можно рассчитать:

а) коэффициент усиления по напряжению в области средних частот в режиме холостого хода:

б) входное сопротивление:

так как ;

в) выходное сопротивление:

Недостатком рассмотренной схемы усиления является зависимость ее параметров от температуры. На рисунке 2.7 представлена схема усилительного каскада с температурной стабилизацией рабочей точки.

В схеме усилительного каскада с температурной стабилизацией функцию цепи смещения выполняет делитель , а функцию температурной стабилизации - звено, состоящее из резистора и конденсатора , включенных в цепь эмиттера. При повышении температуры увеличиваются токи транзистора. Ток эмиттера создает дополнительное падение напряжения на резисторе . Согласно второму закону Кирхгофа

Следовательно, увеличение тока эмиттера приводит к уменьшению напряжения , вследствие чего эмиттерный переход смещается в сторону запирания. Ток базы и ток коллектора уменьшаются, т.е. устанавливается прежний режим работы.

Потенциальная диаграмма каскада, показана на рисунке 2.7. Рассмотренная схема усилительного каскада с общим эмиттером "поворачивает" фазу выходного напряжения по отношению к фазе входного напряжения на 180^о Представленный на рисунке 2.5 усилительный каскад с общим коллектором "повторяет" фазу входного напряжения, т.е. фаза выходного напряжения практически совпадает с фазой входного. Обычно такой каскад носит название эмиттерный повторитель. Основное назначение эмиттерного повторителя - согласование каскадов с различными выходными и входными сопротивлениями. Это возможно вследствие особенности эмиттерного повторителя: очень большое входное сопротивление и незначительное выходное, сопротивление. Коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя . Основным качественным показателем любогоусилителя является вносимое в процессе его работы искажение сигнала. Различают частотные и нелинейные искажения сигнала.

Рисунок 2.7 - Схема усилительного каскада с температурной стабилизацией рабочей точки

Рисунок 2.8 - Схема эмиттерного повторителя

Частотные искажения обуславливаются зависимостью от частоты параметров усилителя и самого транзистора. Важнейшим показателем усилителей, работающих с частотными искажениями, является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты (рисунок 2.9). Диапазон частот от до , определяемый графически на уровне 0,707 , называется полосой пропускания усилителя. Нелинейные искажения образуются за счет наличия в усилителях элементов с нелинейными характеристиками.

Они связаны только с амплитудой входного сигнала. Зависимость выходного напряжения усилителя от входного называется амплитудной характеристикой (рисунок 2.10).