МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р. Е. АЛЕКСЕЕВА»
(НГТУ)

Лабораторная работа № 2
по дисциплине «Радиопередающие устройства»
Исследование генератора с внешним возбуждением на биполярном
транзисторе

Выполнили:
студенты группы С19-РЭС
Маринин А.
Евстегнеев К.
Стешина Л.
Проверил:
Белов Ю. Г.

Нижний Новгород
2022

Цель работы: исследовать основные процессы в транзисторном
генераторе с внешним возбуждением (ГВВ) на биполярном транзисторе в
схеме с общим эмиттером при резистивной и резонансной нагрузке. Изучить
формы импульсов токов и напряжений в цепях генератора в различных
режимах, оценить влияние инерционности транзистора. Исследовать
нагрузочные характеристики.
Принципиальная схема исследуемого ГВВ с нагрузкой в виде LCконтура показана на рисунке 1.

Рис. 1 - Принципиальная схема исследуемого ГВВ

Теоретическая часть
Расчёт коллекторной цепи генератора в критическом режиме на
заданную мощность 𝑃1 = 1 В Вт при напряжении 𝐸к = 20 В и угле отсечки
Ө= 90°. Эквивалентное сопротивление ненагруженного колебательного
контура 𝑅э0 = 2 кОм.
Параметры транзистора ПЗ02:
𝐸ост ≈ −4 В – напряжение отсечки
𝑟б ≈ 65 Ом – омическое сопротивление базы
𝑟э = 0 – омическое сопротивление в цепи эмиттер
𝑟нас = 10 Ом – омическое сопротивление насыщения
𝑅у.э. > 100 кОм– омическое сопротивление утечки эмиттерного перехода
𝐶э = 20000 пФ – барьерная емкость эмиттерного перехода
2

𝐶к = 500 пФ – барьерная емкость коллекторного перехода
𝑈кэ доп = 80 В – допустимое напряжение на коллекторе
𝑈бэ доп = 15 В – допустимое напряжение на закрытом эмиттерном переходе
𝐼к доп = 0,5 А – максимальный ток коллектора
𝑡п доп = 120°С – допустимая температура переходов
𝑅п.с. = 30°

С
Вт

– тепловое сопротивление транзистора

При = 90° 𝛼0 (Ө) = 0,318, 𝛼1 (Ө) = 0,5
Амплитуда переменного напряжения на коллекторе 𝑈к в критическом
режиме находится по формуле:
𝑈к кр = 𝐸к [0,5 + 0,5√1 −

8𝑟нас
𝑃]
𝛼1 (Ө)𝐸к2 1

Подставим наши значения и получим:
𝑈к кр = 20 ∗ [0,5 + 0,5√1 −

8 ∗ 10
∗ 1] = 17,746 В
0,5 ∗ 202

Максимальное напряжение на коллекторе 𝑈к 𝑚𝑎𝑥
превышать предельно допустимое 𝑈 кэ доп :
𝑈к 𝑚𝑎𝑥 = 𝐸к + 𝑈к кр < 𝑈 кэ доп
Подставим наши значения и получим:
𝑈к 𝑚𝑎𝑥 = 20 + 17,746 = 37,746 В < 80 В
Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:
𝐼к1 =

2𝑃1
𝑈к

Подставим наши значения и получим:
2∗1
= 113 мА
17,746
Постоянная составляющая коллекторного тока:
𝐼к1 =

𝛼0 (Ө)
𝐼к0 = (
) ∗ 𝐼к1 (при < 180°)
𝛼1 (Ө)
Подставим наши значение и получим:
3

не должно

0,318
) ∗ 0,113 = 71,868 мА
0,5
Максимальная величина 𝐼к𝑚𝑎𝑥 коллекторного тока не должна
𝐼к0 = (

превышать предельно допустимую:
1
𝐼 < 𝐼к доп (при < 180°)
𝛼0 (Ө) к0
Подставим наши значения и получим:
𝐼к 𝑚𝑎𝑥 =

1
∗ 0,71868 = 226 мА < 500 мА
0,318
Мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:
𝐼к 𝑚𝑎𝑥 =

𝑃0 = 𝐸к 𝐼к0
Подставим наши значения и получим:
𝑃0 = 20 ∗ 0,71868 = 1,437 Вт
КПД коллекторной цепи:
ղ=

𝑃1
𝑃0

Подставим наши значения и получим:
ղ=

1
1,437

= 0,696 ≈ 70%

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:
𝑃к = 𝑃0 − 𝑃1
Подставим наши значения и получим:
𝑃к = 1,437 − 1 = 0,437 Вт
Сопротивление коллекторной нагрузки для получения критического
режима:
𝑈к2 кр
𝑅э кр =
2𝑃1
Подставим наши значения и получим:

Активное

17,7462
𝑅э кр =
= 157,46 Ом
2∗1
сопротивление нагрузки, включаемое

колебательному контуру:
𝑅э0 ∗ 𝑅э кр
𝑅э0 − 𝑅э кр
Подставим наши значения и получим:
𝑅н =

4

параллельно

2000 ∗ 157,46
= 170,92 Ом
2000 − 157,46
Результаты измерения параметров:
𝑅н =

ℎ21э0 = 25; |ℎ21э | = 4,14; 𝑓т = 207 кГц
Амплитуда тока базы (равная амплитуде возбуждающего тока):
𝑓 2
√1
+
(ℎ
∗
(
))
21э0
𝐼к0
𝑓т
𝐼б = 𝐼г =
𝑥=
𝑥𝐼к0
|ℎ21э |𝛾0 (Ө)
|ℎ21э |𝛾0 (Ө)
Подставим наши значения и получим:
𝑓
√1 + (25 ∗ (
∗ 103 ))2
207
𝐼б = 𝐼г =
∗ ((1 + 0,5) ∗ 2𝜋 ∗ 207 ∗ 103 ∗ 500 ∗ 10−12 ∗ 157,46) ∗ 0,020
4,14 ∗ 0,318

𝑥 = (1 + 𝛾1 (Ө))2𝜋𝑓𝑚 𝐶к 𝑅э

–

параметр,

учитывающий

влияние

обратной связи в транзисторе через емкости 𝐶к .
𝐼к0 = 20 мА – заданная постоянная составляющая коллекторного тока при
= 90°, 𝛾0 (Ө) = 0,318
f, кГц

1

2

4

8

20

50

100

𝐼б , мА

0.28

0.56

1.12

2.25

5.64

14.09

28.18

Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе не
должно превышать предельно допустимого:
(1 + 𝑐𝑜𝑠)𝑅д
∗ 𝑥𝐼к0 + 𝐸 ′ | ≤ 𝑈бэ доп
𝛾0 (Ө)ℎ21э0
𝐸 ′ = −0,4 В; 𝑅д = 1 кОм; 𝑈бэ доп = 15 В; при = 90° 𝑐𝑜𝑠(Ө) = 0; 𝛾0 (Ө) = 0,318
Подставим наши значения и получим:
𝑈бэ 𝑚𝑎𝑥 = |−

(1 + 0) ∗ 1000
∗ 0,153 ∗ 0,020 − 0,4| = 0,786 В ≤ 15 В
0,318 ∗ 25
Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

𝑈бэ 𝑚𝑎𝑥 = |−

𝐼к0
; 𝐼 = 𝐼к0 + 𝐼б0
ℎ21э0 э0
Подставим наши значения и получим:
𝐼б0 =

0,020
= 0,8 мА
25
= 0,020 + 0,0008 = 20,8 мА
5
𝐼б0 =

𝐼э0

Необходимое напряжение смещения на эмиттерном переходе:
𝛾0 (𝜋 − 𝜃)𝑅д
∗ 𝐼к0 + 𝐸 ′ + 𝑟б0 ∗ 𝐼б0 + 𝑟э0 ∗ 𝐼э0
𝛾0 (𝜃)ℎ21э0
При 𝜃 = 90° 𝛾0 (𝜃) = 0,318; 𝛾0 (𝜋 − 𝜃) = 0,319

𝐸б =

Подставим наши значения и получим:
𝐸б =

0,319 ∗ 1000
∗ 0,020 − 0,4 + 65 ∗ 0,0008 + 0 ∗ 0,0208 = −0,455 В
0,318 ∗ 25
Экспериментальная часть

Измерение параметров ℎ21э0 и 𝑓т транзистора:
ℎ21э0 =
|ℎ21э | =

𝐼к0
𝐼б0

𝐼к
𝐼б

=

20
0,8

= 25 – статический коэффициента усиления тока

= 58
= 4,14 – модуль коэффициента усиления тока
14

𝑓т = |ℎ21э | ∗ 𝑓изм = 4,14 ∗ 50 ∗ 103 = 207 кГц

–

граничная

частота

транзистора в схеме с ОЭ, где 𝑓изм = 50 кГц
Исследование входной цепи генератора при работе транзистора в
диапазоне частот при короткозамкнутой нагрузке (𝑅н = 0) и неизменном
значении постоянной составляющей коллекторного тока. Изучение формы
импульсов тока 𝑖к (𝜔𝑡), 𝑖б (𝜔𝑡) и напряжение 𝑒б (𝜔𝑡) и сравнение их с
теоретическими.
𝐼б , мА

𝐼б0 , мА

𝐸б , В

Ө°

Эксперимент

14

0.8

-0.4

93

Теория

14.09

0.8

-0.455

90

Экспериментально полученные значения токов 𝐼б , 𝐼б0 , напряжения
смещения Eб и угла отсечки θ примерно совпадают с теоретическими.
𝐼к0 = 20 мА
f, кГц

1

2

4

8

20

50

100

𝐼б эф , мА

0.50

1

1.3

2

4.2

10.7

24.7

𝐼б , мА

0.7

1.5

1.8

2.9

6.2

15.1

35

6

Рис.2 - График экспериментальной и расчетной зависимостей 𝐼б (𝑓)

Осциллограммы 𝑖б (𝜔𝑡) 𝑖к (𝜔𝑡) и 𝑒к (𝜔𝑡)с учетом фазовых соотношений

а)

б)

в)

Рис. 3 – Осциллограммы 𝑖б (𝜔𝑡) (график сверху) и 𝑖к (𝜔𝑡) (график снизу) с
учетом фазового сдвига. а) 𝑓 = 1 кГц; б) 𝑓 = 8 кГц; в) 𝑓 = 100 кГц

а)

б)

в)

Рис. 4 – Осциллограммы 𝑒б (𝜔𝑡) (график сверху) и 𝑖б (𝜔𝑡) (график снизу) с
учетом фазового сдвига. а) 𝑓 = 1 кГц; б) 𝑓 = 8 кГц; в) 𝑓 = 100 кГц

На 𝑓 = 1 кГц Фазовый сдвиг почти равен нулю.
На 𝑓 = 8 кГц Фазовый сдвиг почти равен π/10.
7

На 𝑓 = 100 кГц Фазовый сдвиг равен 0,65π.
C увеличением частоты увеличивается фазовый сдвиг между 𝑖б (𝜔𝑡) и
𝑖к (𝜔𝑡).
Изучение формы импульсов 𝑖к (𝜔𝑡) и 𝑒к (𝜔𝑡) в генераторе с
резистивной

нагрузкой

в

недонапряженном,

критическом,

перенапряженном и ключевом режимах. 𝑅н = 250 Ом, 𝑓 = 20 кГц.

а)

б)

в)

г)

Рис. 5 - Осциллограммы 𝑖к (𝜔𝑡) (снизу) и 𝑒к (𝜔𝑡) (сверху) с учетом фазовых
соотношений. а) ННР; б)КР; в)ПНР; г) Ключевой

Изучение формы импульсов 𝑖к (𝜔𝑡) и 𝑒к (𝜔𝑡) при нагрузке в виде
резонансного

LC-контура,

настроенного

на

частоту

50

кГц

в

недонапряженном, критическом, слабо и сильно перенапряженном
режимах. 𝑅н = 350 Ом, 𝐸к = 20 В, 𝑓 = 50 кГц.

а)

б)

в)

г)

Рис. 6 - Осциллограммы 𝑖к (𝜔𝑡)(снизу) и 𝑒к (𝜔𝑡)(сверху) с учетом фазовых
соотношений. а) ННР; б)КР; в)слабо ПНР; г) сильно ПНР

Экспериментальное

измерение

энергетических

генератора и сопоставление их с расчетными.
𝐸к = 20 В, критический режим
𝐼к0 = 75 мА; 𝑈к эф = 14 В;
𝑈к1 = √2 ∗ 𝑈к эф = 19,8 В;
𝑃0 = 𝐸к ∗ 𝐼к0 = 1,5 Вт; = 97°
8

характеристик

𝐼к1 = (

𝛼1 ( )
𝛼0 ( )

) ∗ 𝐼к0 ; при = 95° 𝛼0 (Ө) = 0,334; 𝛼1 (Ө) = 0,51
0,51
) ∗ 0,075 = 115 мА
0,334
𝑈к1 ∗ 𝐼к1
𝑃1 =
= 1,14 Вт
2

𝐼к1 = (

ղ=

𝑃1

1,14

=

𝑃0

1,5

= 0,76 (76%)

Расчётные значения:
𝐼к0 = 71,868 мА; 𝑈к = 17,746 В;
𝑃0 = 1,437 Вт; 𝑃1 = 1 Вт
ղ= 70%
Ө= 90°
𝑃н =

𝑈н2 эф
𝑅н

ղц с =

𝑃н
𝑃1

=

=

142
170

1,12
1,14

= 1,12 Вт – мощность в нагрузке
= 98% - КПД цепи согласования

ղг = ղ ∗ ղц с = 0,98 ∗ 0,76 = 74% - КПД генератора
Исследование

нагрузочных

зависимостей 𝐼к0 , 𝑈н , 𝑃0 , 𝑃н и ղг =

характеристик

𝑃н
𝑃0

генератора,

т.е.

от изменения сопротивления 𝑅н при

фиксированных значениях напряжения 𝐸к = 20 В, амплитуде возбуждения
𝑈г и внешним смещением 𝐸б .
𝑅н , Ом

50

100 150

200

250

350

500

1000

𝐼к0 , мА

45

44

43

42

40

40

30

22

2,75 4,6

6,7

8,1

8,9

9,2

9,6

10,7

13,01

13,58

15,13

0,8

0,6

0,44

0,151 0,212 0,299 0,328 0,317 0,242

0,184

0,114

16,8 24,1 34,8

39

30,7

25,9

ННР ННР ННР

КР

сильно

cильно

ПНР

ПНР

𝑈к эф , В

𝑈к = √2 ∗ 𝑈к эф , В 3,89 6,51 9,48 11,46 12,59

𝑃0 = 𝐸к ∗ 𝐼к0 , Вт 0,9 0,88 0,86 0,84
𝑃н =

𝑈к эф 2

ղг =

𝑅н

𝑃н
𝑃0

, Вт

,%

Режим

0,8

39,6

30,3

слабо слабо
ПНР
9

ПНР

Рис. 7 – Нагрузочная характеристика генератора

Рис. 8 - Нагрузочная характеристика генератора

Полученные

экспериментально

нагрузочные

характеристики

генератора примерно совпадают с теоретическими.
КПД достигает максимального значения вблизи критического
режима. Хотя при переходе в перенапряженный режим КПД изменяется
мало, но мощность в нагрузке, а значит, коэффициент усиления по
мощности 𝐾р уменьшаются значительно. Поэтому оптимальным считается
критический.

10

Вывод: в результате выполнения лабораторной работы изучен
транзисторный генератор с внешним возбуждением в схеме с общим
эмиттером: его принципиальная схема, принцип работы, режимы работы,
характеристики (энергетические, нагрузочные), входной и выходной цепи.
Получены осциллограммы токов и напряжений в различных режимах
работы и при различных сопротивлениях нагрузки (резистивная и
колебательный контур). Также изучен порядок теоретических расчетов
генератора и расчетные формулы.

11