Файл: Н.А. Резниченко Исследование полупроводниковых усилителей.pdf

Министерство образования Российской Федерации Государственное учреждение

Кузбасский государственный технический университет Кафедра общей электротехники

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине "Электротехника и электроника"

для студентов направления подготовки 551800 "Технологические машины и оборудование"

специальности 170100 "Горные машины и оборудование"

Составитель Н.А. Резниченко

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 3 от 6.11.01

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией cпециальности 170100 Протокол № 5 от 2.12.01

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2002

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа работы усилителей на биполярных и полевых транзисторах, включенных по различным схемам, исследование их характеристик.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В современной технике при решении многих инженерных задач возникает необходимость в усилении слабых электрических сигналов (напряжения, тока, мощности), что осуществляется устройствами, называемыми электронными усилителями, за счет источника электрической энергии. Исследуемые в данной работе транзисторные усилители являются основными видами усилителей как на дискретных элементах, так и в интегральных микросхемах.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Одним из наиболее распространенных усилителей на биполярных транзисторах является усилитель с общим эмиттером (ОЭ). В этом усилителе (рис.1) эмиттер является общим электродом для входной (база-эмиттер) и выходной (коллектор-эмиттер) цепей. Усиленное выходное напряжение может быть снято как с резистора Rк, так и с транзистора, поскольку переменные составляющие этих напряжений равны (но противофазны). Однако на практике выходное напряжение удобнее снимать с транзистора, так как в усилителях с ОЭ эмиттер заземляется и выходное напряжение снимается между заземленной точкой корпуса(землей) и коллектором транзистора. В этом случае вход и выход усилителя имеют общую точку «земля». Если выходное напряжение снимать с резистора Rк, то такой общей точки не будет, что вызывает большие неудобства, поскольку анализ работы и измерения в усилителях ведут относительно “земли”.

Анализ работы усилителя удобно проводить с помощью вольтамперных характеристик транзистора (рис.2):

2

входных Iб = f(Uб) (на рис.2,б оси координат повернуты на 90°)

при Uк=const;

выходных Iк = f(Uк) при Iб = const (рис.2,а); переходной Iк = f(Iб) (рис.2,в).

Рис.1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

Для коллекторной цепи усилителя (см. рис.1) в соответствии со вторым законом Кирхгофа:

Графическое решение уравнения (1) показано на рис.2,а. Прямая АВ, называемая линией нагрузки, построена по двум точкам, соответствующим режиму холостого хода (Iк = 0, Uк=Eк – координаты точки В) и короткого замыкания (Uк= 0, Iк = Eк/Rк – координаты точки А). Точки пересечения линии нагрузки АВ с выходными характеристиками

3

транзистора определяют ток Iк и напряжение Uк при любом заданном значении тока базы Iб. Исходя из требуемого усиления входных сигналов и обеспечения достаточно протяженного линейного участка аб переходной характеристики (рис.2,в) сопротивление резистора Rк должно составлять 0,2 - 0,5 кОм для транзисторов малой мощности и около 100 Ом для транзисторов средней мощности.

Рис.2. Графический расчет усилительного каскада с ОЭ: выходные (а), входные (б) и переходная (в) характеристики

Переходная (передаточная) характеристика усилителя (см. рис.2,в) построена по точкам пересечения линии нагрузки АВ с выход-

4

ными характеристиками транзистора и является нелинейной, на которой можно выделить линейный участок аб.

Анализ работы усилителя начинают с режима покоя (uвх = 0). Резистор RД1, включенный в цепь базы (см. рис.1), обеспечивает требуемый режим покоя, который на характеристиках рис.2 определяется точкой О, называемой рабочей точкой. Для усиления входных сигналов с минимальными линейными искажениями рабочую точку О выбирают на середине линейного участка аб переходной характеристики (см. рис.2,в). Этому режиму соответствуют определенные значения токов

Iб0 , Iк0 и напряжений Uб0 , Uк0.

На входе усилителя включается конденсатор (на рис.1 не показан) для исключения постоянной составляющей тока в источнике усиливаемых сигналов евх за счет действия источника питания Eк.

При подаче на вход усилителя переменного входного напряжения uвх напряжение uб становится пульсирующим (см. рис.2,б):

uб= Uб0 + uвх.

Это вызывает пульсации базового тока iб= Iб0+ iб~, коллекторного тока iк= Iк0+ iк~ и коллекторного напряжения uк= Uк0 + uк~. Для выделения переменной составляющей коллекторного напряжения uк~ на выходе усилителя включается конденсатор (на рис.1 не показан).

6

где τв=С0RвыхRн/(Rвых+ Rн) – постоянная времени на верхних частотах; С0 – емкость, учитывающая емкости коллекторного перехода и монтажа.

Уменьшение коэффициента усиления оценивают коэффициентами частотных искажений соответственно на нижней и верхней частотах Мн=К0 /Кн и Мв=К0 /Кв. Частоты fн, fв , на которых коэффициенты

усиления Кн , Кв достигают допустимых значений, называют границей полосы пропускания усилителя в области нижних fн и верхних fв час-

тот. Обычно К0 /Кн= К0 /Кв= 2 .

Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллектором

Усилитель, в котором транзистор включен по схеме с общим коллектором (ОК), называют эмиттерным повторителем (рис.5). Коллектор

Рис.5. Схема усилительного каскада с общим коллектором (ОК) – эмиттерного повторителя

транзистора по переменному току заземлен через малое сопротивление источника питания Ек. Поэтому коллектор является общей точкой для

7

входной и выходной цепей каскада. В результате этого в схеме эмиттерного повторителя осуществляется 100% отрицательная последовательная обратная связь, вследствие которой результирующее входное напряжение между базой и эмиттером определяется разностью входного и выходного напряжений, то есть Uбэ= Uвх- Uвых. Поэтому коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя

КU = Uвых /Uвх< 1.

Обычно КU = 0,9 – 0,99.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя составляет десятки и сотни кОм, выходное – десятки Ом. Без учета влияния сопротивления источника входного сигнала выходное сопротивление определяется из соотношения:

Rвых = Uвых /Iэ.

Коэффициент усиления по току

КI = Iвых / Iвх= Iэ / Iб = β +1,

где β – коэффициент усиления по переменному току для схемы с ОЭ, определяемый по выражению β = ∆Iк / ∆Iб при Uк = const; ∆Iк, ∆Iб – приращения соответственно токов коллектора и базы; Uк – напряжение на коллекторе.

Коэффициент усиления по мощности

Кр = КU КI ≈ КI.

В схеме эмиттерного повторителя фаза выходного напряжения совпадает с фазой входного.

С учетом указанных особенностей каскады эмиттерного повторителя применяются в качестве согласующего каскада между высокоомным датчиком входного сигнала и низкоомной нагрузкой с соответствующим усилением сигнала по току (то есть по мощности), в широкополосных усилителях, включаясь между предыдущим каскадом с высоким выходным сопротивлением и последующим – с малым входным.