Краткая теория. Исследование работы биполярных транзисторов в усилительном режиме

Исследование работы биполярных транзисторов в усилительном режиме

Лабораторная работа №4

Указания к составлению отчёта.

Отчёт должен содержать:

1. Паспортные данные и схему расположения выводов исследуемого транзистора.

2. Схемы испытаний транзистора.

3. График передаточной характеристики.

4. Семейство выходных характеристики.

5. График зависимости сопротивления канала от управляющего транзистора.

6. По передаточной и выходной характеристикам и на основе формул 5.2-5.4 определить основные статистические параметры ПТ: I_C.НАС (соответствующее V_ЗИ =0), V_ЗИ.ОТС (соответствующее току стока I_C =10 мкА) и крутизну S₀ (соответствующее V_ЗИ =0), выходное сопротивление R_i и статистический коэффициент усиления μ. Проверить справедливость равенства μ = SR_i.

7. Сравнить полученные значения параметров ПТ с их паспортными значениями. Оценить их погрешность.

Контрольные вопросы:

1. Объяснить устройство полевых транзисторов с p-n переходом и с изолированным затвором.

2. Нарисовать обозначение полевых транзисторов разных типов и структур и соответствующие им передаточные характеристики.

3. Объяснить принцип действия и особенности полевых транзисторов с p-n переходом и с изолированным затвором.

4. Изобразить и объяснить вид передаточных и выходных характеристик ПТ.

5. Объяснить определение параметров по статистическим характеристика ПТ.

6. Сравнить биполярные и полевые транзисторы по основным параметрам.

7. Нарисовать схему для исследования статистических характеристик полевых транзисторов с каналами тип «p» и «n».

8. Дать определение предельным эксплуатационным параметрам ПТ.

9. Объяснить погрешности определения параметров ПТ и аппроксимации характеристик.

Цель работы: исследовать работу биполярного транзистора с схеме с ОЭ в усилительном низкочастотном режиме.

Подготовка к лабораторной работе:

Изучить следующие вопросы курса:

1. Основные схемы включения биполярных транзисторов при работе в усилительном режиме.

2. Коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности для различных схем включения биполярного транзистора.

3. Графоаналитический расчет простейшего усилителя на биполярном транзисторе (БТ) для схемы с ОЭ.

4. Использование h-параметров для расчета коэффициентов усиления биполярного транзистора.

5. Выбор рабочей точки (точки покоя) усилителя и влияние ее положения на форму выходного напряжения.

Упрощенная схема усилительного каскада на БТ, включенного по схеме с общим эмиттером, показана на рис. 6.1. В этом каскаде используется один источник питания E_К, а для задания режима работы транзистора по постоянному току (напряжение U_ЭБ0) применен делитель R₁, R₂. При этом U_ЭБ0 = I_ДR₂, где ток делителя I_Д=E_К/(R₁+R₂). Резисторы R₁ и R₂ выбирают такими, чтобы ток делителя был много больше входного тока базы при отсутствии сигнала (I_Д>>I_Б). Это позволяет исключить влияние возможного изменения режима работы БТ на напряжение U_БЭ0. Если задан ток I_Б0, то U_БЭ0 находятся по входной характеристике БТ. Теперь возникает вопрос, как определить соответствующую точку в семействе выходных характеристик, т.е. найти постоянное напряжение U_БЭ0 и постоянный ток I_К0 при наличии резистора R_К и отсутствии переменного сигнала на входе?

По закону Кирхгофа для схемы рисунка 6.1

(6.1)

где ток I_К и напряжение U_КЭ должны соответствовать статической характеристике для заданного значения I_Б:

(6.2)

Из(6.1) (6.3)

Связь I_К и U_КЭ изображается прямой линией, называемой нагрузочной прямой, которая отсекает в систем координат I_К, U_КЭ отрезки на оси токов при U_КЭ=0, I*_К=E_К/R_К, а на оси напряжений при I_К=0, U*_КЭ=E_К.

Величины I*_К и E_К отмечены точками A и B нагрузочной прямой на рис. 6.2. Чем дольше нагрузочное сопротивление R_К, тем меньше I*_К и меньше наклон нагрузочной прямой: при R_К ®0 она вертикальна, при R_К ®¥ приближается к оси абсцисс.

Нагрузочная прямая пересекает статические характеристики. Точки пересечения и определяют значения I_К и U_КЭ, которые соответствуют различным величинам тока базы I_Б (параметра этих характеристик). Точка C пересечения прямой с характеристикой, соответствующей заданному значению I_Б0, называют точкой покоя или рабочей точкой. Рабочей точке C Значения I_К0 и U_КЭ0, соответствующие точке покоя C при токе базы I_Б0 (см. рис. 6.2), определяют режим работы транзистора по постоянному току. При заданных значениях E_К и R_К рабочая точка транзистора может быть задана одним параметром: или I_Б0, или I_К0, или U_КЭ0. Если точка покоя (точка С) установлена в середине между точками А и В, то усилитель в этом случае работает в режиме класса А. Режим класса А применяется для усиления слабых сигналов. Если ток базы I_Б = 0 (точка В на рис. 6.2), то транзистор работает в режиме класса В, используемый для усиления сигналов по мощности.

Пусть в режиме класса A на входе усилителя (рис. 6.1) имеется низкочастотное синусоидальное напряжение сигнала с амплитудой U_{вх m}. Тогда напряжение между базой (входом) и общей точкой

(6.4)

Так как входные характеристики БТ в нормальном активном режиме слабо зависят от напряжения U_КЭ, то можно считать, что рабочая точка, определяющая ток в любой момент времени, перемещается по одной входной характеристике вверх и вниз в определенных пределах. При этом периодическое изменение базового тока приближенно можно представить выражением

(6.5)

где I_Бm - амплитуда переменной составляющей базового тока. При таком законе изменения базового тока соответствующая рабочая точка в семействе выходных характеристик будет перемещаться с частотой w по нагрузочной прямой между точкой F, соответствующей максимальному значению тока базы I_{Б max} = I_Б0 + I_{Б m}, и точкой, определяемой минимальным током I_{Б min} = Б₀ – I_{Б m}. При этом коллекторный ток iК также имеет синусоидальный характер и изменяется от значения I_{К max} = К₀ + I_{К m} до I_{К min} = I_К0 – I_{К m}, где I_{К m} - амплитуда переменной составляющей коллекторного тока. Из-за наличия R_К изменение i_К вызывает синусоидальное изменение U_КЭ от значения U_{КЭ min} = U_КЭ0 – U_2m до U_{КЭ max} = U_КЭ0 + U_2m, где U_2m = I_{К m} R_К - амплитудное значение полезного сигнала на резисторе R_К, характеризующее усилительный эффект биполярного транзистора.

По определению коэффициент усиления каскада по напряжению

(6.6)

а по току

(6.7)

Мощность выходного синусоидального сигнала

(6.8)

Мощность входного сигнала в базовой цепи

(6.9)

Можно ввести коэффициент усиления по мощности

(6.10)

Мощность, потребляемая от источника питания в выходной цепи в состоянии покоя (при отсутствии сигнала),

(6.11)

Часть этой мощности рассеивается в резисторе (P_Rн), часть выделяется (рассеивается) на коллекторе БТ (P_К0):

(6.12)

(6.13)

Так как U_КЭ = E_К – I_КR_К, то

(6.14)

Однако при наличии сигнала выделяемая на коллекторе мощность P_К становится меньше P_К0 на величину полезной мощности сигнала P_вых, выделяемой в нагрузке, т.е.

(6.15)

Коэффициент полезного действия коллекторной (выходной) цепи определяется как

(6.16)

Предварительный расчет:

Используя входные и выходные характеристики транзистора, полученные в лабораторной работе №2, произвести графический расчет усилителя в режиме класса A для схемы с ОЭ. Исходные данные для расчета получить у преподавателя.

1. Построить на статических выходных характеристиках нагрузочную прямую и указать на ней рабочую точку. Определить значения I_Б0, I_К0, U_КЭ0.

2. Используя входные характеристики определить постоянное напряжение U_БЭ0, соответствующее току I_Б0, и амплитуду переменного входного напряжения U_{вх m}, обеспечивающую заданное значение амплитуды переменного входного тока I_{Б m};

3. Построить нагрузочные треугольники на выходных характеристиках и определить амплитуды переменных составляющих выходного тока I_{К m} и выходного напряжения U_Кm;

4. Определить коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности и КПД усилителя, используя формулы 6.6 – 6.16.

Дата добавления: 2015-05-06