Общие положения, термины и определения

Обычно усилительные каскады строятся по схеме, приведенной на рис. 13.а. К зажимам источника питания постоянного тока Е к подключаются последовательно резистор R и активный элемент АЭ, имеющий три внешних электрода. На электрод 1 подается электрический сигнал от источника Е _С. Этот сигнал управляет током, протекающим по активному элементу, а в результате изменяется напряжение на выходном электроде 2. Третий электрод является общим для

                                                              21
входной и выходной цепей. Таким образом, входное управляющее напряжение подключается к точкам 1,3 АЭ, выходное управляемое напряжение снимается с точек 2,3.

В качестве активного элемента используются биполярные или полевые транзисторы. Наиболее часто используется схема включения общий эмиттер (ОЭ), т.к. она обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности.

 

 

Анализ работы усилительного каскада проведем графическим способом, воспользовавшись семейством коллекторных (выходных) вольт - амперных характеристик.

Схему рисунка 13. а) можно рассматривать как делитель напряжения источника E _К. Делитель состоит из сопротивления R и управляемого по величине внутреннего сопротивления активного элемента

                            U _ВЫХ = E _К – I · R.                                            (8.1)

Это уравнение является уравнением прямой, пересекающей координатные оси в точках I _К = E _К/ R и U _ВЫХ = E _К. Эта прямая называется нагрузочной прямой рисунок 13.б)  или линией нагрузки транзистора по постоянному
току.

Ток в делителе и падение напряжения на его элементах при заданном токе базы, например I ⁰_Б, определяется точкой пересечения ВАХ активного элемента - транзистора - с нагрузочной прямой. Эта точка называется рабочей точкой (РТ). Спроецируем ее на оси тока и напряжения. Получим значение тока, протекающего по делителю, и напряжения U _ВЫХ = U _КЭ и I _К· R. Эти значения определяют исходный (начальный) режим (режим покоя). Их принято обозначать символами I ⁰_Б, I ⁰_К, U ⁰_КЭ, U ⁰_БЭ.

При изменении управляющего тока базы рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой, при этом изменяются ток и напряжение. Изменение тока
22

базы от I _Б = 0 до I _Бнас  соответствует линейному режиму работы усилительного элемента.

Изменение окружающей температуры влияет на коллекторный ток. Например, при увеличении температуры от 20°С до 70°С, характеристики  перемещаются вверх, а соответственно перемещается рабочая точка.

Усилительный элемент, включенный в схему делителя напряжения вместе со всеми элементами, обеспечивающими его режим, составляют усилительный каскад.

Для каскада ОЭ без внешней нагрузки коэффициент усиления определяется согласно соотношению

                                                .                                          (8.2)

 

Для аналитического расчета цепей с транзисторами используют схемы замещения. В основном используются физические и формализованные схемы. В физической схеме параметры связаны с физическими (собственными) параметрами транзистора. На рисунке 14 приведена Т-образная схема для переменных токов и напряжений для схемы включения ОЭ. Она справедлива для линейного режима входных и выходных ВАХ транзистора, на которых параметры транзистора можно считать неизменными.

Здесь г_Э - дифференциальное сопротивление перехода эмиттер-база

г_Э = d U _Э/d I _Э |При U _КЭ = const.

Значение г_э зависит от постоянной составляющей тока эмиттера

г_э = φ_т/ I _Э =0,026/ I _Э.

Например, при I _Э = 1 мА, г_э = 26 Ом.

 

г_б - объемное сопротивление базы. Обычно г_б >> г_э и составляет 100 ÷ 500 Ом.

Сопротивление

г  = d U _КЭ/d I _К |При I _Б = const.

– дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.

Значения г лежат в пределах 5 ÷ 500 кОм.

5. Проведение измерений 

Подготовка к работе

5.1.1 Вызвать пакет анализа электронных схем Electronics Workbench (EWB) двойным щелчком по ярлыку . Он находится на рабочем столе компьютера и имеет имя «WEWB32».

23

5.1.2 Вызвать сохраненную схему с транзистором из базы EWB.

Дополнить ее до схемы усилительного каскада рисунок 15. Транзистор установить такой, для которого проводилась нагрузочная прямая, R _К  – вычисленное в пункте 4. 

На схеме V 1 – источник напряжения для задания тока базы. Напряжение V 1 установить равным V 1 = R _б· I _бmin + U _БЭ. U _БЭ = 500мВ, I _бmin = 10 мкА. Сопротивление R _б установить равным R _К.

V 1 = Е _К – источник напряжения для задания напряжения на коллекторе. Напряжение источника Е _К установить таким, какое было принято при выполнении пункта 4.

В цепях базы и коллектора включены приборы для измерения токов I _Б и I _К и напряжений U _БЭ и U _КЭ.

Установить R _Э = 1 Ом.

5.1.3 Заготовить таблицу 9.

5.1.4 Включить режим моделирования

Убедиться, что схема собрана правильно, т.е. на базе имеется напряжение, равное напряжению V 1, напряжение U _КЭ примерно равно напряжению Е _К, ток коллектора составляет доли мкА (μА) (амперметр М4).

Если что-то не так, то внимательно проверить схему.

 

5.2 Проведение измерений

5.2.1 Определение характеристик

Увеличивая (или уменьшая) напряжение V 1, установить напряжение на базе приблизительно равным 500 мВ.

Записать полученные значения токов и напряжений в таблицу.

Увеличивая далее напряжение V 1, устанавливать ток базы 10 мкА, 20 мкА
и т.д. согласно таблицы и записывая в нее показания приборов М2, М3, М4.

Ток базы увеличивать до такой величины, пока ток коллектора не достигнет значения I _КНАС или напряжение U _КЭ не станет менее одного вольта.

 

24

 

Увеличить ток базы еще на 40 мкА и убедиться, что ток коллектора более не увеличивается, а напряжение U _КЭ не уменьшается.

 Табл. 9. Результаты измерений.

I Б μА   (М1)		10	20	40	60	80	100	120	…
U БЭ мВ (М2)	500
U КЭ В (М3)	Е К
I К мА (М4)	0

 

5.2.2 Исследование влияния температуры

Установить ток базы равным 60 мкА.
Из таблицы 9 переписать значения токов и напряжений на электродах "холодного" транзистора для этого режима в таблицу 10.

Установить температуру транзистора  равную 57˚С (меню Analysis, опция Analysis options, вкладка Global).

Вновь записать полученные значения токов и напряжений "горячего" транзистора в таблицу 10.

Табл. 10. Результаты исследования влияния температуры.

	I Б мкА	U БЭ мВ	I К мА	U КЭ В
t = 27oC	60
t = 57oC
∆t = 30 oC	∆ I Б =	∆ U БЭ =	∆ I К =	∆ U КЭ =

 

Вычислить величину изменений токов и напряжений транзистора под действием температуры и заполнить строку 3 таблицы.

5.2.3 Сохранить схему, она понадобится в следующих работах.