Введение

1 2 3 4 5 6 7

К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова

Усилительные каскады

на

Биполярных транзисторах

Методические указания

Ярославль 2007

УДК 621.375.4

ББК З 844

А 86

Рекомендовано
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2007 года

Рецензент

	Артемов К.С., Солдатова Н.Л.
К 78	Усилительные каскады на биполярных транзисторах: методические указания/ К.С. Артемов,Н.Л. Солдатова; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. 45 с.
	ISBN Излагаются основы теории транзисторных усилительных устройств. Включает три лабораторные работы и задание по расчету усилительных каскадов. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 5504 Телекоммуникация и будет полезно также студентам специальности 013800 Радиофизика и электроника, (дисциплина «Основы схемотехники», блок ОПД), очной и заочной форм обучения.

УДК 621.375.4

ББК З 844

ВВЕДЕНИЕ

Транзистор (Т), как элемент схемы, представляет собой активный трехполюсник, имеющий три внешних электрода: эмиттер, коллектор и базу. В электронных схемах Т используют как четырехполюсник. В зависимости от того, какой из трех электродов транзистора оказывается общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения Т и три схемы усилительных каскадов:

1) схема с общим эмиттером (ОЭ);

2) схема с общей базой (ОБ);

3) схема с общим коллектором (ОК).

При рассмотрении работы Т в усилительных схемах обычно речь идет о работе с малыми сигналами. Сигнал считается малым, если при его изменении в два раза, величина измеряемого параметра (например, коэффициента передачи по напряжению) остается неизменной в пределах точности измерения. При этом можно считать характеристики триода (в области перемещения рабочей точки) прямолинейными, а триод может быть представлен эквивалентной схемой, содержащей линейные элементы цепи и источники энергии.

Необходимыми элементами схемы любого каскада являются цепи смещения, определяющие режим работы Т по постоянному току (рабочую точку Т в области линейных участков вольт-амперных характеристик Т). К таким элементам в общем случае относятся резисторы в цепях базы (), эмиттера () и коллектора (), а также источники питания постоянного тока (, , ). В конкретных схемах задания рабочей точки используются не все указанные элементы.

Для анализа схем усилительных каскадов применяется хорошо разработанная теория четырехполюсников. Наиболее удобной является система h -параметров, так как при их практическом определении для Т может быть достигнута наибольшая точность. Системе -параметров соответствует эквивалентная схема, делающая расчет каскадов более наглядным.

Для практических расчетов схем на транзисторах нашли широкое применение также эквивалентные схемы, в которые входят физические параметры Т.

а)

б)

Рис. 1. Эквивалентные схемы транзисторов ОБ (а) и ОЭ (б)

На рис. 1 показаны:

– – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

– – омическое сопротивление базы;

– – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОБ, – то же для схемы ОЭ (рис. 1,б);

– – статический коэффициент передачи тока эмиттера;

– – статический коэффициент передачи тока базы;

– – коэффициент обратной связи Т по напряжению.

Для схемы ОБ для схемы ОЭ:

Связь между некоторыми параметрами схем ОБ и ОЭ:

; ; .

В радиоэлектронике находят применение как одиночные каскады, так и многокаскадные усилительные устройства или просто усилители. Усиливаемыми параметрами являются ток, напряжение или, в конечном итоге, мощность. По роду усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов. Существует деление усилителей на усилители постоянного тока и усилители переменного тока. Классифицируют усилители также по частотным диапазонам (низкой, высокой частоты, широкополосные, избирательные), по назначению и пр.

Усилители характеризуются усилительными, частотными и временными параметрами. Рассмотрим основные параметры.

1. Коэффициент передачи – отношение выходного сигнала к однородному входному: коэффициенты передачи по напряжению (отношение напряжения на выходе к ЭДС генератора или напряжению на входе), току (отношение тока в нагрузке к томку генератора или входному), мощности . Если коэффициент передачи больше единицы, его называют коэффициентом усиления. Коэффициенты передачи выражают в относительных единицах или в логарифмических единицах – децибелах [дБ]:

, , .

2. Входное сопротивление – сопротивление, которое оказывает усилитель действию генератора сигнала, являясь для него нагрузкой.

3. Выходное сопротивление – сопротивление усилителя по отношению к нагрузке, для которой усилитель рассматривается как генератор, т. е. источник сигнала.

На рис. 2 дана схема замещения (эквивалентная схема) усилителя, показывающая параметры , , и содержащая источник сигнала (генератор э.д.с.) с сопротивлением и нагрузку .

Рис. 2. Эквивалентная схема усилительного каскада

4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала (рис. 3а). На рисунке показана область средних частот, где не зависит от частоты и равен , области низших и высших частот.

а) в)

б) г)

Рис. 3. АЧХ (а), ФЧХ (б), переходная (в) и амплитудная (г) характеристики

Частоты, на которых коэффициент передачи равен , называются граничными – и .

Для области низших частот: – нижняя граничная частота; – циклическая нижняя граничная частота; комплексный коэффициент передачи, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи :

; ; ,

где – коэффициент передачи по напряжению в области средних частот; – постоянная времени в области нижних частот; – переходная характеристика , – время.

Для области высших частот:

– верхняя граничная частота; – циклическая верхняя граничная частота; комплексный коэффициент передачи по напряжению, его АЧХ и ФЧХ:

; ; .

– переходная характеристика .

5. Фазочастотная характеристика – зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным сигналом (например, между напряжением) от частоты. Пример фазочастотной характеристики показан на рисунке 3, б.

6. Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рис. 3, г).

7. Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения при подаче на вход скачка напряжения (рис. 3, в).

На рисунке показана переходная характеристика. Максимальный коэффициент условно принят за единицу (нормирован). Искажение в области малых времен характеризуется временем установления , а искажение в области больших времен – спадом плоской вершины .

8. Коэффициент нелинейных искажений – корень квадратный отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала, появляющихся из-за нелинейных искажений (нелинейности вольтамперной характеристики усилительного элемента), к полной выходной мощности.