Основні теоретичні положення. Тема: Дослідження підсилювального режиму біполярного транзистора

Лабораторна робота № 4

 

Тема: Дослідження підсилювального режиму біполярного транзистора

Мета роботи: Вивчення та експеримента­льне дослідження підсилювального режиму біполярного транзистора.

Основні теоретичні положення

 

Біполярні транзистори (БТ) широко використовуються в електрон­ній апаратурі для підсилення напруги, струму та, відповідно, потужності електричних сигналів. З фізичних основ роботи біполярних транзисторів відомо, що підсилення можна одержати при роботі транзистора в активному режимі.

Для забезпечення активного або, як ще його називають, підсилювального режиму роботи БТ на його виводи необхідно подати відповідне живлення, тобто відповідні постійні струми і напруги. Їх значення можна вибрати на основі вхідних та вихідних статичних вольт-амперних характеристик (ВАХ) БТ. Розглянемо, як забезпечується підсилення електричних сигналів на прикла­ді біполярного транзистора типу nрn із спільним емітером. Для цього підключимо між колектором і емітером транзистора джерело напруги Е_К через рези­стор R_К, як показано на рис. 4.1.

 

 

Рис. 4.1. Схема вмикання біполярного транзистора в простих підсилювачах

 

.Полярність джерела Е_К встановимо такою, щоб колекторний перехід транзистора був зміщений у зворотному напрямі, тобто так, як це вимагається для активного режиму. Резистор R_К вмикаємо в схему з метою обмеження значення максимального струму колекторного кола, а також для розділення виходу схеми.і джерела живлення Е_К.

Значення постійного струму та постійної напруги колектора, які виник­нуть внаслідок відмикання джерела Е_К, можна визначити на основі рівняння, записаного за другим законом Кірхгофа для колекторного кола:

(4.І)

Срум колектора, який входить в це рівняння, в загальному випадку, є нелінійною функцією, яка залежить від колекторної напруги U_KE і задається, як правило, графічно, тобто у вигляді вихідних статичних ВАХ транзистора (рис. 4.2). Отже, розв'язування цього рівняння необхідно проводити графічно. Для цього рівняння (4.1) переписуємо таким чином:

(4.2)

та подамо його ліву та праву частини у вигляді графіків. Ліва частина рівняння (4.2) подана на рис. 4.2,а у вигляді вихідних статичних ВАХ БТ. Права частина цього рівняння представляє собою пряму, яку можна побудувати на вихідних статичних ВАХ за двома точками: та . Цю пряму називають навантажувальною прямою.

Положення навантажувальної прямої на вихідних ВАХ БТ визначається опором резистора R_K та напругою джерела Е_K, які потрібно вибирати так, щоб ця пряма проходила нижче від кривої, яка відповідає максимальній потужності транзистора Р_max, та не перевищувала максимально допустимих значень нап­руги і струму колектора U_{KE max}та I_{K max}. Виходячи з цього, опір резистора R_K для транзисторів малої потужності повинен складати 0,2...5,0 кОм, а для тран­зисторів середної потужносгі - біля 100 Ом.

Рис. 4.2. Вольт-амперні характеристики транзистора

(а- вихідні; б – вхідні)

 

Навантажувальна пряма перетинає вихідні статичні ВАХ БТ (рис. 4.2,а) в багатьох точках. Отже, для отримання розв'язку рівняння (4.2) потрібно задати значенням постійного струму бази транзистора I_Б0. Для його вибору побудуємо на основі точок перетину навантажувальної прямої з вихідними ВАХ (рис. 4.2,а) передавальну характеристику транзистора, а саме, залежність І_К=f₁(I_Б), типовий вигляд якої подано на рис. 4.3,а. Передавальну характеристику можна також побудувати і для напруг як залежність U_KE=f₂(U_БE), подану на рис. 4.3,б.

На передавальній характеристиці, наприклад, поданій на рис. 4.3,а, можна виділити лінійну (АВ) та нелінійну (ВС) ділянки. Для того, щоб підсилення сигналу було без спотворень, вибираємо значення постійного струму бази I_Б0 посередині лінійної ділянки АВ, наприклад, в точці D. Цій точці відповідатиме постійний струм колектора I_К0.

Відкладаємо отримане значення постійного струму I_К0 на вихідній ВАХ транзистора, яка відповідає струму I_Б0 (точка F на рис. 4.2,а) та визначаємо значення постійної напруги U_KE0, яку необхідно забезпечити між колектором та емітером транзистора, щоб ввести його в активний (підсилювальний) режим роботи. Необхідне для цього значення постійної напруги U_БE0 визначаємо по вхідній ВАХ транзистора, яка відповідає U_KE=U_KE0, відклавши на ній значення I_Б0 (точка G на рис. 4.2,б).

Точки F та G на вихідних та вхідних ВАХ (рис. 4.2), які відповідають вибраним постійним значенням струмів I_Б0 та I_К0 і напруг U_БE0 та U_KE0, називають робочою точкою транзистора.

Ряс. 4.З. Передавальні характеристики біполярного транзистора

зі спільним емітером

 

В практичних схемах підсилювачів значення постійних струмів та напруг забезпечують за рахунок одного джерела напруги Е_К як подано на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схеми живлення вхідного та вихідного кіл транзистора

в простих підсилювачах

 

В схемі рис. 4.4,а робочу точку транзистора забезпечують поданням на базу фіксованого струму I_Б0, який отримують внаслідок підключення до джерела Е_К високоомного резистора R_Б. Значення опору якого розраховують за формулою:

. (4.3)

В схемі рис. 4.4,б робочу точку транзистора забезпечують фіксованою напругою U_БЕ0, яка отримується внаслідок підключення до джерела Е_К подільника напруга, що складається з резисторів R_Б1 та R_Б2. Для визначення опорів цих резисторів задаються постійним струмом подільника І_П, який на практиці вибирають в 5¸10 разів більший від струму І_Б0. Тоді:

; (4.4)

Для того, щоб не порушувався статичний режим цих схем, тобто, щоб не змінювались значення постійних струмів і напруг при підтиканні до їх входів джерел сигналів, а до виходів – навантажень R_Н, на вході і на виході вмикають так звані розділові конденсатори С₁ та С₂. Вони не пропускають постійний струм базового кола до джерела вхідного сигналу та постійний струм колекторного кола - до навантаження. При відсутності цих конденсаторів частина постійних струмів відгалужуватиметься у вхідне джерело та в навантаження і робоча точка транзистора зміститься.

При поданні на вхід схеми рис. 4.4,а або рис. 4.4,6 змінної (пульсуючої) напруги u_вх(t) напруга на базі транзистора u_БЕ стане також пульсуючою і буде складатись з постійної складової U_БЕ0 та змінної складової u_вх(t):

(4.5)

Зміна базової напруги викличе в свою чергу пульсації базового струму і_Б:

(4.6)

та відповідні зміни колекторного струму i_K і колекторної напруги u_KE:

; (4.7)

, (4.8)

де i_K(t) та u_KE(t) –змінні складові колекторних струму та напруги.

Часові діаграми струмів і напруг транзистора для випадку, коли вхідна напруга е гармонічною, побудовані методом проекцій вхідної напруги на вхідну, передавальну та вихідну характеристики транзистора, подані на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Вибір робочої точки транзистора графоаналітичним методом

 

Якщо зміни вхідної напруги u_вх(t) такі, що змінна складав базового стру­му і_Б(t) не виходить за межі лінійної ділянки передавальної характеристики (рис. 4.5,б), то зміни колекторного струму і колекторної напруги будуть пропор­ційні змінам базового струму і, відповідно, базової напруги, тобто повторювати­муть їх без спотворень. При цьому їх амплітуди будуть значно більшими від амплітуд змінних складових базового струму і, відповідно, базової напруги. При цьому вхідна і вихідна напруги будуть протифазними (рис. 4.5,а і б).

При великих амплітудах вхідної напруги u_вх(t) змінна складова базового стру­му і_Б(t) може вийти за межі лінійної ділянки передавальної характеристики і ко­лекторний струм та, відповідно, колекторна напруга стануть спотвореними.

Для оцінки допустимого діапазону змін амплітуди вхідної напруги, при якому підсилення відбуватиметься без спотворень, використовують амплітудну характеристику, тобто залежність амплітуди вихідної напруги від амплітуди вхід­ної (рис. 4.6). Лінійна ділянка цій характеристики (відрізок ОN) визначає ди­намічний діапазон змін амплітуди вхідної напруги, при якому вихідний сигнал матиме лінійну залежність від вхідного, тобто буде передаватись через транзистор без спотворень. На цій ділянці характеристики визначають коефіцієнт підсилення напруги підсилювача як відношення амплітуд вихідної та вхідної напруг, взятих в довільній точці цієї ділянки:

K_U=U_{m вих}/U_{m вх} (4.9)

Рис. 4.6. Амплітудна характеристика підсилювача

 

При підсиленні сигналів, частота яких змінюється в широких межах, на параметри підсилювальної схеми вливають частотні властивості транзистора, розділові ємності С₁ і С₂ та інші. В зв’язку з цим на практиці цікавляться частотними залежностями параметрів підсилювача. Зокрема, визначають залежність коефіцієнта підсилення напруги K_U від частоти, яку називають амплітудно-частотною харак­теристикою підсилювача. ЇЇ типовий вигляд подано на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Амплітудно-частотна характеристика підсилювача

 

В області низьких частот на амплітудно-частотну характеристику в основному впливають розділові ємності С₁ та С₂. На середніх частотах, які вважають робочими частотами підсилювача, коефіцієнт підсилення напруги не змінюється. В облас­ті високих частот на величину коефіцієнта підсилення напруги істотний плив має бар'єрна ємність колекторного переходу, опір резистора R_K та опір наван­таження R_Н, які зменшують К_U.

Частоти f_Н і f_В (рис. 4.7), на яких коефіцієнт підсилення напруги зменшується в разів, називають границями смуги пропускання підсилювача.

До інших параметрів підсилювачів відносяться: вхідний R_вх та вихідний R_вих опо­ри, коефіцієнт підсилення струму K_I, коефіцієнт підсилення потужності K_P, коефі­цієнт нелінійних спотворень K_Н та інші.

Значення параметрів простих підсилювачів в залежності від схеми вмикання транзистора подані в табл. 4.1.

 

Таблиця 4.1.

Значення параметрів простих підсилювачів в залеж­ності від схеми

вмикання транзистора

Схема вмикання транзистора	KI	KU	KP	Rвх, Ом	Rвих, Ом
зі спільною базою	до 1	до 1000	до 1000	одиниці-десятки	десятки тисяч
зі спільним емітером	10¸100	до 100	до 10000	сотні	сотні-тисячі
зі спільним колектором	10¸100	до 1	до 100	десятки тисяч	одиниці-десятки