«Исследование каскада усиления переменного напряжения на биполярном транзисторе»

Цель работы:

1. Изучение теоретического материала [1, с.176-192; 2, с.183-188, 197-200].

2. Исследование каскада, собранного по схеме с общим эмиттером, в режимах покоя (постоянного тока) и сигнала (переменного тока).

2.1.Краткие теоретические сведения и описание экспериментов

Основной функцией усилителя напряжения является формирование на выходе увеличенной копии входного сигнала. Идеальный безынерционный усилитель описывается уравнением

u_вых = K_U u_вх , (2.1)

где u_вых, u_вх – мгновенные значения выходного и входного напряжений; К_U – коэффициент усиления по напряжению (|K_U|>1).

Усилительным каскадом (УК) называется минимальная часть усилителя, сохраняющая его основное свойство (2.1) и содержащая обычно один активный элемент¹. В данной работе исследуется усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией режима покоя (рис. 2.1).

2.1.1. Режим покоя

Как известно, транзистор имеет существенно нелинейные ВАХ, что не позволяет реализовать линейную функцию (2.1). Необходимо использовать участки ВАХ, близкие к линейным, что достигается обеспечением определенных постоянных напряжений между электродами транзистора. Совокупность этих напряжений и создаваемых ими токов задает режим работы транзистора по постоянному току. На ВАХ режим отмечается так называемыми рабочими точками, смещенными относительно начала координат. Величины и полярности напряжений смещения должны быть такими, чтобы переходы транзистора находились в состоянии, обеспечивающем его работу в качестве линейного усилительного элемента. Для БТ переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении («полуоткрыт»), а переход база-коллектор смещен в обратном направлении («закрыт»). В литературе встречаются другие термины для обозначения режима по постоянному току:

1. начальный режим;

2. статический режим (поскольку токи и напряжения не зависят от времени);

3. начальное смещение (или просто смещение);

4. рабочая точка;

5. режим покоя (если переменный входной сигнал равен нулю, то в цепи каскада присутствуют только постоянные токи и напряжения).

Будем пользоваться последним термином, так как он используется наиболее часто. Существует несколько вариантов режима покоя, называемых классами усиления и обозначаемых латинскими буквами (А, В, АВ, С, D). Для УК напряжения наиболее характерным является класс А, когда возможно максимальное усиление обеих полуволн входного синусоидального сигнала. Для этого в цепи рис. 2.1 необходимо установить потенциал коллектора примерно равным половине напряжения питания. Это осуществляется регулировкой делителя напряжения R₁₂, R₂₃ c помощью реостата R₂₃. Потенциал базы VТ14 изменяется, что вызывает изменение тока базы, а, следовательно, и тока коллектора

I_К = β I_Б .

Напряжение на коллекторе может быть найдено по закону Кирхгофа

.

В режиме класса А следует установить U_К равным среднему значению потенциалов эмиттера и питания

(2.2)

где U_э= I_э R₂₄ ≈ I_к R₂₄ – потенциал эмиттера. Поскольку U_э обычно довольно мало (0,1....0,3) U_п, то в первом приближении им пренебрегается .

В рассматриваемом УК стабильность режима покоя обеспечивается отрицательной обратной связью по постоянному току эмиттера (ООСП). Напряжение U_э пропорционально I_э  I_к и вычитается из напряжения между базой и общей точкой (U_б). Результирующее напряжение между базой и эмиттером (U_бэ) управляет работой транзистора

U_бэ = U_б - U_э U_б - R₂₄ I_к . (2.3)

Знак минус говорит о том, что связь действительно отрицательная. Под влиянием дестабилизирующих факторов (температура, изменение параметров схемы) I_k изменяется. Из (2.3) следует, что на U_бэ это оказывает противоположное влияние. Поскольку U_бэ управляет I_k (через I_б), то изменение I_k будет меньше, чем без ООСП. Таким образом, влияние дестабилизирующих факторов в значительной мере подавляется.

Рис. 2.1. Схема принципиальная электрическая исследования усилительного каскада напряжения с общим эмиттером:

UZ- функциональный генератор Г6-43; PV-цифровой мультиметр M830B в режиме измерения постоянных напряжений (DCV, 20 B); PA- цифровой мультиметр M830B в режиме измерения постоянных токов (DCA, 200 мкА); XW- переход Т-образный коаксиальный на два гнезда; XT1,XT2-входные разъемы каскада; XT3,XT4-выходные разъемы каскада; PS-осциллограф двухканальный С1-83 или С1-93

PS

PA

В режиме покоя от источника питания потребляется мощность P_н=U_nI_n, являющаяся энергетической характеристикой усилителя. Эта мощность рассеивается в элементах цепи УК, приводя к их нагреву.

При исследовании режима покоя УК рис.2.1 необходимо провести следующие эксперименты:

1. установить режим покоя, соответствующий классу усиления А;

2. измерить токи и потенциалы электродов транзистора относительно общей точки, а также ток плеча R₁₂ делителя напряжения R₁₂, R₂₃.

По результатам экспериментов следует определить режим работы транзистора, состояния его переходов, основные параметры схемы замещения УК для постоянного тока, оценить стабильность, подсчитать баланс мощности (подробно см. п.2.3.1)