Объект исследования и основные теоретические положения

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Цель работы

Изучение схемы и работы однокаскадного усилителя напряжения переменного тока, построенного на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером, и измерение характеристик усилителя.

Объект исследования и основные теоретические положения

Усилительный каскад с емкостными связями на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером (ОЭ) широко применяется для усиления сигналов переменного тока как в исполнении на дискретных компонентах, так и в составе интегральных микросхем. На рисунке 1 приведена схема каскада с ОЭ.

Рис. 1. Схема усилительного каскада с емкостной связью на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Резистор R_бв цепи базы обеспечивает ток базы покоя I_б.о, который задает требуемую точку покоя (I_к.о;U_кэ.о) в статическом режиме.

Конденсатор С₁ изолирует вход каскада по постоянному току и соединяет его с источником сигнала по переменному току. Конденсатор С₂ выполняет такую же функцию по отношению к выходу каскада и нагрузке. Оба конденсатора должны иметь достаточно малое сопротивление на частоте сигнала.

В статическом состоянии (в покое) рабочая точка характеризуется током коллектора покоя I_к.о и напряжением коллектор-эмиттер U_кэ.о. Эти значения связаны уравнением статической линии нагрузки:

U_кэ.о = E_к – I_к.о·R_к. (1)

Для переменного тока (т. е. сигнала) реактивное сопротивление конденсатора С₂ мало и поэтому сопротивления нагрузки и коллектора включены параллельно: R_к.н = R_к || R_н. Колебания тока коллектора и напряжения на коллекторе связаны динамической линией нагрузки, которая проходит через точку покоя О под большим углом к оси U_кэ, чем статическая:

U_кэ = E_к.экв – I_к ·R_к.н, (2)

где E_к.экв – напряжение эквивалентного источника:

. (3)

Статическая и динамическая линии нагрузки показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Графики статической и динамической линий нагрузки

Для малых приращений тока коллектора и напряжения коллектор–эмиттер уравнение динамической линии нагрузки имеет вид

DU _кэ = – DI _к R _к.н .

При усилении гармонических колебаний амплитуды переменных составляющих напряжения на коллекторе и тока коллектора связаны соотношением

U _кэ.m = I _к.m R _к.н .

Положение точки покоя (I_к.о;U_кэ.о) на статической линии нагрузки удобно определять графо-аналитическим методом, располагая графиками выходных характеристик. Для того, чтобы обеспечить симметричные условия для положительной и отрицательной полуволн колебаний выходного напряжения, точку покоя (I _к.о; U _кэ.о) следует выбирать в середине активного участка динамической линии нагрузки.

Напряжение U _кэ.о можно принять равным четверти напряжения питания:

U _кэ.о = 0,25 E _к. (4)

Из этого условия можно вычислить ток коллектора в статическом режиме I _к.о:

. (5)

и ток базы I _б.о:

, (6)

после чего рассчитать сопротивления R _б:

. (7)

Выходную проводимость h _22э в (6) принять равной 0,02 мСм, напряжение на эмиттерном переходе U _бэ.о = 0,6 В.

Резистор R _ос в цепи эмиттера, как правило, имеет небольшое сопротивление и не влияет на статический режим. Но он оказывает заметное влияние на переменном токе, так как является элементом отрицательной обратной связи.

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада в области средних частот равен

, (8)

где R _вх.тр – входное сопротивление транзистора.

Без резистора R _ос в цепи эмиттера R _вх.тр = h _11э, и усиление максимально. Резистор R _ос увеличивает входное сопротивление транзистора R _вх.тр:

R _{вх.тр.ос} = h _11э + (h _21э + 1) R _ос. (9)

Величина называется «петлевым усилением» и характеризует глубину обратной связи. Отрицательная ОС снижает усиление в раз, т. е.

(10)

и во столько же раз увеличивает входное сопротивление:

.

Необходимо выбрать величину R _ос, исходя из заданного коэффициента усиления K _u.

В области низких частот (НЧ) усиление каскада уменьшается из-за влияния разделительных конденсаторов C₁ и C₂:

,

где τ _н – постоянная времени усилителя в области НЧ.

Нижняя граничная частота, на которой усиление уменьшается в раз, равна

. (11)

Величина τ_н определяется постоянными времени двух цепей, в которые входят указанные выше конденсаторы:

. (12)

Здесь постоянная времени входной цепи равна

t _н1 = R _{вх.тр.ос}· C ₁, (13)

где R _{вх.тр.ос} – входное сопротивление каскада с учетом влияния ООС,

постоянная времени выходной цепи равна

t _н2 = (R _к + R_н)· C ₂. (14)

Исходя из заданной нижней частоты усилителя f _н, с помощью (11) можно определить требуемую величину постоянной времени τ_н и найти значения t_н1 и t_н2. Целесообразно принять постоянные времени обеих цепей одинаковыми: t_н1 = t_н2 = 2 t_н, после чего рассчитать емкости конденсаторов по формулам (13) и (14).

С повышением частоты также происходит уменьшение коэффициента усиления по сравнению с областью средних частот:

, (15)

где t _в – постоянная времени усилителя в области высоких частот (ВЧ).

Снижение усиления на ВЧ обусловлено двумя факторами:

1) уменьшением модуля дифференциального коэффициента передачи тока базы β _диф по сравнению с h _21э;

2) влиянием выходной емкости транзистора С _вых и емкости нагрузки С _н, шунтирующих выходную цепь усилителя.

Поэтому t _в определяется и частотными свойствами транзистора (с учетом ООС), и паразитными емкостями.

Верхняя частота усилителя f _в, на которой усиление уменьшается в раз по сравнению с областью средних частот, равна

. (16)

Дата добавления: 2015-07-15