/
Text
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Магнитогорский государственный технический университет
им. Г. И. Носова»
А. Н. Лекин
Д. М. Мазитов
ДИНАМИЧЕСКИЙ И СТАТИЧЕСКИЙ
РЕЖИМЫ УСИЛИТЕЛЯ С ОБЩИМ
ЭМИТТЕРОМ
Учебное пособие для лабораторного практикума
по курсу «Схемотехника» для студентов направления 210100.62
“Электроника и наноэлектроника”
Магнитогорск
2015
Лекин А.Н., Мазитов Д.М.
Динамический и статический режимы усилителя с общим
эмиттером. Учебное пособие для лабораторного практикума по курсу
«Схемотехника» для студентов направления 210100.62 “Электроника и
наноэлектроника”. Изд-во Магнитогорского гос. техн, ун-та
им. Г.И. Носова, 2015. 80 с.
Рецензенты:
главный энергетик ОАО «ММК», д. т. н. Г. В. Никифоров
доцент кафедры информатики
и информационных технологий
МОУ «Магнитогорский лицей», к. т. н. Р. Г. Мугалимов
© Магнитогорский
государственный технический
университет им. Г. И. Носова,
2015
Порядок подготовки, оформления, выполнения и защиты
лабораторных работ
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты,
подготовившие конспект и предварительные расчеты.
1. Перед началом работы конспект должен содержать:
1.1) название и цель лабораторной работы;
1.2) исследуемую принципиальную схему;
1.3) номиналы компонентов, используемые в принципиальной схеме;
1.4) требуемые в задании предварительные расчеты и заготовки таблиц;
1.5) краткий перечень измерений, которые необходимо проделать в
работе.
2. После проведения измерений следует показать результаты
преподавателю, чтобы он отметил в журнале факт выполнения работы.
3. К защите допускаются студенты, полностью подготовившие
отчет. Перечень основных вопросов, задаваемых на защите, приводится в
конце методических указаний. На итоговую оценку влияет как качество
проведенных измерений и расчетов, содержание вывода по работе,
аккуратность оформления отчета, так и ответы на контрольные вопросы.
Перед защитой, кроме и. 1.Н1.5, в отчет следует добавить:
3.1) расчеты по экспериментальным данным;
3.2) осциллограммы и графики по данным таблиц;
3.3) сопоставления расчетных и экспериментальных данных, объяснения
замеченных закономерностей и другие выводы.
Правила оформления отчета по лабораторным работам
1. Для конспекта лабораторной работы отводится отдельная тетрадь.
2. Все надписи в принципиальных схемах, таблицах и на графиках
выполняются чертежными шрифтами. В схемах следует пользоваться
стандартными обозначениями электронных компонентов, форма и
размеры которых определены документами ЕСКД (см., например, [4],
[5])-
3. Используемые в расчетах величины должны быть обозначены на
схемах и, где необходимо, пояснены текстом. Для токов и напряжений
обязательно указываются положительные направления.
4. Все схемы, таблицы и графики следует пронумеровать.
5. Для построения графиков и других гладких кривых необходимо
пользоваться лекалом.
6. Для снятия осциллограмм необходимо использовать заранее
приготовленные листки прозрачной кальки или толстой полиэтиленовой
1
пленки размером 42x32 мм. Осциллограммы должны быть подклеены
или перекопированы в тетрадь и подписаны.
Рекомендации по выполнению работ
Поскольку лабораторные работы выполняются фронтально
группами по 2-3 человека, целесообразно организовать взаимодействие
между участниками группы, например, так, чтобы один следил за ходом
выполнения работы, проводил необходимую перекоммутацию схем,
другой снимал и сообщал показания измерительных приборов, а третий
записывал результаты и, если необходимо, делал промежуточные
расчеты. Так как для выполнения работ достаточно двух человек, то при
необходимости следует чтобы один защищал результаты предыдущей
работы, а двое других работали на стенде.
2
Лабораторная работа №1
Исследование способов задания режима покоя в
транзисторных каскадах с общим эмиттером
Цели работы:
- изучить способы формирования режима покоя и ряд простейших мер
по стабилизации точки покоя биполярного транзистора;
- на практике освоить графоаналитический метод расчета режима покоя
и сравнить полученные результаты с данными эксперимента.
Подготовка к работе
1. Для проведения подготовительных расчетов получите у
преподавателя семейство вольтамперных характеристик исследуемого
транзистора.
2. Изучите дополнительную литературу.
3. В лабораторной работе исследуется режим покоя схем А, Б и Г
(рис. 1.2). Рассчитайте недостающие номиналы элементов и координаты
точек покоя для этих схем. Занесите их в табл. 1.1. На ВАХ постройте
линию ограничения допустимой мощности.
4. По изложенной ниже методике (см. табл. 1.4^ 1.6 и рис. 1.6^1.11)
рассчитайте и в одной системе координат постройте зависимости
Uэкп = f (Er) для схем Б, Г.
5. Перед началом работы отчет должен содержать:
5.1) название и цель работы;
5.2) исследуемые принципиальные схемы с обозначением токов и
напряжений;
5.3) номиналы элементов схем;
5.4) графические построения и расчеты по определению R1 для схем А,
Б, Г;
5.5) графические построения, таблицы и расчеты по пункту 5;
5.6) расчетные характеристики Uэкп = f (Ек) для схем А, Б и Г на
одном графике;
5.7) таблицы 1.1^1.3;
5.8) краткий перечень проводимых измерений.
3
Приборы и методика измерений
В лабораторной работе требуется с использованием одного
измерительного прибора (мультиметра) провести многократные
измерения токов, напряжений и сопротивлений резисторов схемы. Для
того чтобы провести все измерения оперативно, следует обратить особое
внимание на следующие моменты. Для измерения силы тока в ветви
схемы с помощью амперметра, необходимо включить прибор в разрыв
нужной ветви. Для этого требуется обесточить схему, провести
необходимую перекоммутацию, включить схему, дождаться
установившегося режима и только тогда произвести измерение.
Вольтметр, в отличие от амперметра, подключается параллельно
измеряемой ветви и разрывать цепь нет необходимости, а поскольку он
имеет большое внутреннее сопротивление, то его подключение
практически не влияет на работу схемы и обесточивать ее нет
необходимости.
Из вышесказанного следует, что для измерения токов в ветвях,
содержащих активные сопротивления, проще воспользоваться законом
Ома. Для этого потребуется измерить фактические значения
сопротивлений резисторов, а силу тока рассчитывать после измерения
напряжений.
Измерения амперметром потребуются только для определения
величины тока базы в схемах Б и Г, для этого следует включать
мультиметр в разрыв базовой цепи.
Порядок выполнения работы
1. Для выполнения данной работы возьмите сменную панель №13.
2. Соберите схему А, используя значения номиналов компонентов.
Резистор Rj - переменный, поэтому установите на нем нужную
величину рассчитанного сопротивления с помощью омметра. В качестве
Ек используйте источник ГН2. Напряжение источника ГН2 необходимо
выставлять под нагрузкой, т. е. при подключенной схеме.
3. Измерьте координаты точки покоя и занесите полученные данные
в табл. 1.1 в колонку «экспериментальные до коррекции».
4. Из-за погрешности графоаналитического метода
экспериментальное значение UЭБП, скорее всего, будет отличаться от
расчетного. Скорректируйте положение точки покоя вращением
подвижной части резистора Т?7, добейтесь выполнения условия
Uэкп = 0-5 Ек. Снова измерьте координаты точки покоя, запишите их
4
в табл. 1.1 в колонку «экспериментальные после коррекции», а также
измерьте и запишите скорректированное значение сопротивления Т?7.
5. Перед началом измерений в схеме должно присутствовать
скорректированное значение сопротивления Т?7. Замените транзистор
Вашего варианта на однотипный транзистор с неизвестными ВАХ. При
этом режим покоя каскада изменится. Запишите координаты новой точки
покоя в колонку «после замены транзистора» табл. 1.1.
6. Перед началом измерений в схеме должно присутствовать
скорректированное значение сопротивления Т?7. Верните транзистор
Вашего варианта в схему. Установите Ек = 10 В и добейтесь
соответствия показаний точке покоя Uэкп = 5 В. Затем изменяя
напряжение Ек в диапазоне от 0 до 16 В, снимите зависимость
U3Kn = f(EK) и заполните данными табл. 1.2. Для схемы Б количество
измерений желательно удвоить чтобы при оформлении отчета, в
процессе построения графиков, лишние точки можно было сократить.
7. Повторите пункты Н6 для схем Б и Г.
8. Для схемы Г дополнительно необходимо снять зависимости:
- U3Kn = f(R2) при значении Т?7 после коррекции.
- U3Kn=f(RI) ^R2=\ кОм;
Перед началом измерений установите Ек = 10 В и добейтесь
соответствия показаний точке покоя Uэкп 5 В.
Обратите внимание на то, что диапазон изменения сопротивлений
от 0 до со, а диапазон изменения Uэкп от 0 до Ек. Поэтому при выборе
величин сопротивлений следует опираться на необходимость
равномерного покрытия диапазона Uэкп . Следовательно, при
выполнении измерений необходимо устанавливать желаемую величину
Uэкп вращением подвижной части переменного резистора, а затем
измерять величину полученного сопротивления. Результаты измерений
занесите в табл. 1.3.
9. По данным табл. 1.2 и 1.3 постройте экспериментальные и
теоретические зависимости Uэкп = f (Ек) для всех трех схем на одном
графике. Для наглядности экспериментальные графики выделите цветом
при цветной печати на принтере, либо карандашом или ручкой при
черно-белой печати или ручных построениях.
5
10. Напишите вывод по выполненной лабораторной работе.
В выводе необходимо избегать изложений описательного характера, т. е.
слов ’’выполнили”, ’’провели”, ’’построили” и т. д. Вывод должен быть
содержательным, в нем обязательно должны присутствовать элементы
анализа, т. е. слова ’’сравнили”, ’’выявили”, ’’обнаружили” и т. д. Проана-
лизируйте и представьте замеченные Вами в ходе подготовки и выполне-
ния работы заслуживающие внимание моменты, оцените относительную
погрешность расчета положений точек покоя, приняв за истину данные
эксперимента. Объясните причины, по которым замена расчетного тран-
зистора на однотипный приводит к существенно разным отклонениям
режима покоя в схемах А, Б, Г. Объясните полученные на графиках
закономерности. Сделайте свои замечания по практической ценности
графоаналитического расчета, перечислите его достоинства и недостатки.
Таблица 1.1
Расчетные и экспериментальные положения точек покоя
Схема Параметр Расчетное значение Экспер. до коррекции Экспер. после коррекции После замены транзистора
А Uэкп ’ В
1-кп ’ МА
U ЭБП ’ В
1БП, мкА
R,, кОм
Б Uэкп ’ В
1-кп ’ МА
U ЭБП ’ В
1БП, мкА
Rj, кОм
Г Uэкп ’ В
1-кп ’ МА
U ЭБП ’ В
1БП, мкА
R}, кОм
6
Таблица 1.2
Экспериментальные данные зависимостей U3Kn = f(EK)
Схема А и
Uэкп ’ В
Схема Б ^,в
Uэкп ’ В
Схема Г ^,в
Uэкп ’ В
Таблица 1.3
Влияние сопротивлений резисторов Т?7 и R2 на значение U3Kn
R2, кОм
эк п = f (К2) ПРИ R< =
R,, кОм
иэкп =f(Ri) при R2 = 1 кОм
Теория и рекомендации по расчету
При подготовке к лабораторной работе особенности работы
транзистора и режимов покоя транзисторных каскадов следует изучить
по литературе:
[11 ] - глава 2;
[1] - глава 2, особенно §§2.7,2.8,2.10, а также §4.3;
[2] - материал изложен подробно и последовательно, главы - в
зависимости от издания;
[3] - глава 4.
Режим покоя (синонимы - режим молчания, режим по постоянному
току, статический режим) - это состояние усилителя, которое
устанавливается в отсутствие входного сигнала. В этом режиме по
7
элементам схемы протекают только постоянные токи, а между ее узлами
присутствуют только постоянные составляющие напряжения.
Определенному набору токов и напряжений на усилительном
элементе (УЭ) соответствует точка на вольтамперных характеристиках.
Для обозначения этого набора используется термин - рабочая точка.
Совокупность токов и напряжений на УЭ (в данном случае это
биполярный транзистор), которая наблюдаются в режиме покоя,
называется точкой покоя.
При подаче на вход усилителя какого-либо сигнала, токи и
напряжения на УЭ изменяются, поэтому изображающая их точка на ВАХ
отклоняется от своего положения покоя, то есть точкой покоя не
является. В этом режиме ее правильней называть рабочей точкой, хотя в
литературе нередко термины «рабочая точка» и «точка покоя»
используют как синонимы.
Для схем с общим эмиттером точка покоя определяется набором
четырех координат: 1БП , 1КП, UB3n, Uкэп .
При расчете режима покоя схем с ОЭ известной координатой, как
правило, является желаемое значение Uкэп . Требование сделать 1КП и
Uкэп как можно менее зависимыми от изменения температуры и
от технологического разброса параметров транзисторов является одним
из основных при выборе метода задания точки покоя.
Для инженерных расчетов работы в режиме покоя чаще других
пользуются графоаналитическими методами или компьютерным
моделированием. Графоаналитические методы при относительной
простоте дают приемлемую погрешность решений (вплоть до 5% и даже
меньше в отдельных случаях). Суть этих расчетов в том, что составляется
система уравнений, которую можно разделить на две группы.
Одна группа получается на основе I и II законов Кирхгофа а также
закона Ома. Эта группа представляется в аналитическом виде. Она
отражает топологические свойства схемы (т. е. свойства, определяемые
способом соединения ее компонентов).
Вторая группа несет информацию о свойствах нелинейных
приборов (транзисторов, диодов, варисторов и т. и.) и связывает между
собой токи и напряжения на них. Уравнения эти, как правило, получают
экспериментально и представляют в виде графиков, называемых
вольтамперными характеристиками, сокращенно - ВАХ. Решение
системы производится путем графических построений, отсюда и
название метода.
В графоаналитических методах широко применяется понятие
«линия нагрузки по постоянному току» (синоним -«статическая
нагрузочная прямая»). На рис. 1.1 - это линия №4. Для биполярных
8
транзисторов она представляет не что иное, как график (в координатах
, Uкэ ) уравнения, записанного по второму закону Кирхгофа для
выходного контура, содержащего зажимы коллектора, эмиттера и
источник питания. Геометрический смысл линии нагрузки в том, что
независимо от свойств транзистора (даже если он неисправен) и
независимо от температуры, точка покоя будет лежать на этой линии.
Линия нагрузки является геометрическим местом рабочих точек. В
общем случае можно сказать, что линия нагрузки - это график одного из
уравнений, относящегося к первой группе, т. е. она несет информацию о
способе соединения компонентов.
На семействе коллекторных характеристик (см. рис. 1.1, а) можно
выделить четыре характерные области.
1. Область насыщения, которая находится между осью 1К и линией
1. Этой области соответствует режим, в котором оба перехода (и
коллекторный и эмиттерный) смещены в прямом направлении. Как
правило, точка покоя находится в этой области в ключевых режимах
работы транзистора;
2. Область отсечки, расположенная под линией 3. В этой области
эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении
(закрыты). Точка покоя может находиться в этой области в режимах В, С
([ 1 ], [2]) и в ключевом режиме.
3. Область аварийного нагрева транзистора, расположенная выше
кривой 2, называемой линией ограничения по допустимой мощности.
Размещение точки покоя в этой области недопустимо, так как транзистор
перегреется и выйдет из строя.
Рис. 1.1. Определение допустимой области расположения точки покоя
Линию 2 строят по уравнению IK = PKmax /Uro •> где ^max _
максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторном
9
переходе транзистора, - приводится в справочнике. Если конструкция
корпуса транзистора предусматривает возможность применения
радиатора, то значение /^max приводится и для режима эксплуатации с
тепловым радиатором.
4. Область активного режима расположена между кривыми 1, 2 и
3. Сверху и справа она также ограничена максимально допустимыми
параметрами транзистора IKmax и UK3max . В этой области транзистор
является открытым (или закрытым) лишь частично и способен изменять
свое состояние в любую сторону при соответствующем изменении тока
базы. В активном режиме эмиттерный переход транзистора смещен в
прямом, а коллекторный - в обратном направлении. Точка покоя
располагается в этой области в режимах А и АВ ([1], [10], [15]).
При объяснении работы электронных схем часто говорят
«транзистор открывается» или «транзистор закрывается». Важно четко
представлять, что это означает. Под открытием транзистора
подразумевается уменьшение электрического сопротивления
коллекторного перехода транзистора, а под закрытием - обратный
эффект. Так, открытию транзистора (см. рис. 1.1, а) соответствует
перемещение рабочей точки по нагрузочной прямой в направлении от
области отсечки (точка В) к области насыщения (точка А). Необходимо
отметить, что открытие транзистора - следствие роста тока базы,
закрытие - следствие его уменьшения.
На рис. 1.2 (а д) показаны пять простейших приемов, с помощью
которых задаются точки покоя биполярных транзисторов. На них следует
остановиться подробнее.
Схема задания (иногда говорят «смещения») точки покоя
подачей фиксированного тока базы - схема А (рис. 1.2, а).
По второму закону Кирхгофа (// ЗК) для контура 1:
= UЭБП + 1-БП ’ • (1’1)
F -U
Т и ЭБП
Следовательно, 1БП =-----------.
R1
Обычно Ек имеет порядок 5^30 В, т. е.
ЭБП<<-^К- (1-2)
Е
Тогда
10
Таким образом, при выполнении (1.2) и Ек = const, ток базы
практически не зависит от разброса параметров транзисторов, т. е.
фиксирован {1БП = const).
В данной схеме изменения параметров 1КП, Uэкп при колебаниях
температуры и замене транзистора будут связаны с изменениями
коэффициента передачи тока базы.
Статический коэффициент передачи тока базы
и динамический коэффициент передачи тока
= const
- разные понятия. Однако в технической
= const
7 d!K
базы =----------
21Э dIR и.
литературе их часто (без каких-либо пояснений) отождествляют, так как
h213 и [3 имеют близкие численные значение. В справочниках
приводится именно динамический коэффициент передачи тока базы.
Коэффициент /3 имеет большой технологический разброс, достигающий
для некоторых типов транзисторов 200500%. Поскольку ток базы
фиксирован, ток коллектора Iк ~ /3 • IБ будет изменяться так же, как /3
- на десятки-сотни процентов.
Изменение температуры значительно влияет на режим по
постоянному току этого каскада. С ростом температуры увеличивается
подвижность основных и неосновных носителей. Это приводит к
увеличению (3 , увеличению неуправляемого тока коллектора 1КБО, и,
как следствие, - к увеличению всех токов транзистора и приближению
точки покоя каскада к области насыщения (см. рис. 1.1, а).
11
Рис. 1.2. Способы задания режима покоя в каскадах с общим эмиттером
12
Расчет элементов схемы А
В работе заданы Ек — 10 В, R3 — 1 кОм, Uэкп — 0.5 Ек.
Недостающие параметры в точке покоя определяются
графоаналитическим методом после построения линии нагрузки и
определения на ней точки покоя (рис. 1.1).
Уравнение линии нагрузки можно получить, применяя IIЗК для
контура 2:
ЕК = Uэкп + Е3 ’ КП • (1-4)
Неизвестное значение сопротивления резистора Т?7
непосредственно определяется из (1.1):
F -II
R]=—---------(1.5)
^БП
Схема смещения точки покоя подачей фиксированного
напряжения на базу транзистора - схема Б (рис. 1.2, б).
Своим происхождением название данной схемы обусловлено
следующим.
По второму закону Кирхгофа для контура 1:
ЕК =UR1+UR2- (L6)
С учетом закона Ома:
ЕК = IRj • Rj + IR2 • R2 = (I R2 + I En) • Rj +IR2 • R2. (1-7)
При выполнении условия IБП «IR2, (1.8)
в выражении (1.7) можно пренебречь током 1БП :
Ек ~ Ir2 ’ (Ei + Ез) • (1-9)
По второму закону Кирхгофа можно записать:
ЕК “ U R1 + U ЭБП •
Uэбп = Ек ~ Iri ’
UЭБП “ ЕК ~ GR2 + IБТ1) ’ ~ ЕК ~ 1-R2 ’
Пренебрегая 1БП и подставляя (1.10) получается:
13
(1.11)
Из (1.11) следует, что при выполнении (1.8) и Ек = const,
Uэбп = const, поэтому говорят о «фиксированном» напряжении на
базе.
Схема Б (с точки зрения стабильности положения точки покоя) дает
лучшие результаты, чем схема А при изменении температуры, однако она
менее экономична из-за потери части энергии источника в базовом
делителе, что может быть существенным при батарейном питании. Кроме
того, сопротивление базового делителя шунтирует входную цепь
транзистора, уменьшая входное сопротивление каскада для полезного
сигнала. Еще один существенный недостаток - каскад требует очень
стабильного источника напряжения питания (см. рис. 1.4).
Аргументированный выбор значений сопротивления резисторов Т?7
и R2 - вопрос не простой. На практике при расчетах резисторов
делителя обычно задаются соотношением тока делителя IR2 и тока базы
1Ю е (0.5 4-10)-(1.12)
Выбор конкретного значения из диапазона (1.12) - результат
компромисса при выполнении ряда противоречивых требований. Для
удовлетворения этих требований, строго говоря, следует учитывать
желаемое входное сопротивление для переменного сигнала, значение
напряжения питания, требуемый КПД усилителя, максимальное и
минимальное значения переменной составляющей входного сигнала,
требуемую термостабильность положения точки покоя, допустимые
нелинейные искажения переменной составляющей и т. д. Данный
перечень может изменяться в большую или меньшую стороны, в
зависимости от требований технического задания на проектирование.
В частности, с точки зрения улучшения температурной
стабильности точки покоя и неизменности ее положения при замене
транзистора, желательно, чтобы (1.8) выполнялось как можно более
строго. Для этого следует уменьшать сопротивления Т?7 и R2 . Желая
получить высокое входное сопротивление, нужно, наоборот, увеличивать
Rj и R2.
14
Расчет элементов схемы Б
В лабораторной работе заданы: Ек — 10 В, R2 — 300 Ом,
= 1 кОм, U1Kn =Q.5EK.
Линию нагрузки строят по уравнению, записанному по второму
закону Кирхгофа для контура 2:
Er = UЭКП + ^3 ’ ^КП • (1-13)
Недостающие параметры режима покоя определяются
графоаналитическим методом, после построения линии нагрузки.
Сопротивление резистора R}:
Е -U
(1-14)
*БП + *R2
Т иэБп
гДе 1R2 = —Z—• О-15)
Оставшиеся три схемы (В, Г, Д), в отличие от схем А и Б обладают
механизмами стабилизации положения точки покоя за счет цепей
отрицательной обратной связи по постоянному току, благодаря которым,
под влиянием неблагоприятных факторов (технологический разброс
коэффициента передачи тока базы, колебания температуры и т. п.),
координаты точки покоя изменяются в меньшей степени.
Схема коллекторной стабилизации точки покоя -
схема В (рис. 1.2, в).
Как уже было сказано, поддержание постоянства Uкэп и 1КП при
влиянии неблагоприятных факторов является одной из целей
проектировщика. Следующие рассуждения призваны раскрыть
логическую цепочку взаимодействий, составляющую суть механизма
действия обратной связи, уменьшающего колебания положения точки
покоя.
Предположим, внешние факторы, например уменьшение
температуры, снижают ток покоя коллектора - (1КП J,). Поскольку
Uэкп ~ Ек ~ ^кп ’ , в которой Ек = const, а 1КП • RK
уменьшается, напряжение эмиттер-коллектор должно возрасти. Это, в
т и экп — иЭБП
свою очередь, приведет к росту тока базы, т. к. 1БП =--------, а
Re
15
изменением U3En, вследствие его малости можно пренебречь. Рост тока
базы покоя приводит к увеличению тока коллектора (1КП $), т. к.
^КП ~ Р ’ ^БП •
Коротко:
Рш Uэкп Т 1-БП Т 1-КП Т- (1-16)
В (1.16), на первый взгляд, очевидно противоречие: уменьшение
тока коллектора приводит к его увеличению. На самом деле никакого
противоречия нет: первое звено в цепочке (1.16) отражает влияние
внешних факторов и схема вынуждена ему подчиниться. Последующие
звенья отражают наличие механизма взаимодействия между элементами,
который ограничивает реакцию на внешнее воздействие, о чем можно
сделать вывод по последнему звену. Подытожим сказанное: ток
коллектора уменьшится, но вследствие существования (1.16), не
настолько, как мог бы уменьшиться в схемах А или Б при равенстве
исходных координат точек покоя в этих трех схемах и одинаковом
воздействии дестабилизирующих факторов.
Рассмотренный пример иллюстрирует как воздействие любой
природы, стремящееся изменить координаты точки покоя, запускает
внутренний механизм (механизм этот присущ выбранному способу
соединения элементов схемы), противодействующий влиянию этого
воздействия.
Аналогичные (1.16) цепочки можно построить в предположении,
что ток коллектора возрастает, изменяется ток базы или любая другая
координата точки покоя.
Следует обратить внимание, что своим названием схема обязана
ключевой роли коллекторного резистора в осуществлении механизма
обратной связи. Схема В отличается простотой, но среди схем с обратной
связью она - самая неэффективная. Чтобы добиться удовлетворительной
стабильности точки покоя, требуется увеличивать соотношение
EK/U экп •> типичное значение - в 3^5 раз. То есть при амплитуде
выходного сигнала 1 В напряжение Ек должно быть 3^5 В. Применение
этой схемы целесообразно во входных каскадах усилителей, где
амплитуды усиливаемых сигналов невелики.
16
Схема задания положения точки покоя фиксированным
напряжением на базе транзистора и эмиттерной стабилизацией -
схема Г (рис. 1.2, г).
Схема Г является наиболее распространенной, так как наряду с
существенно лучшей стабилизацией положения точки покоя,
обеспечивает удовлетворительный диапазон значений входного,
выходного сопротивлений и коэффициента усиления. Схема Г не
критична к изменению напряжения источника Ек.
Рассмотрим механизм стабилизации точки покоя, так как это было
сделано для схемы В.
Допустим, выбор значений сопротивлений Т?7 и обеспечивает
выполнение условия
^БП<<^К2^ (1-1^)
благодаря которому можно считать напряжение UR2 неизменным (в
название входит фрагмент «схема с фиксированным напряжением на
базе»).
R.
UR2 «---------Ек ® const (1.18)
Ri+R2
Предположим, что под воздействием внешних факторов, например,
понижения температуры, уменьшается ток коллектора - (1КП J,). Тогда
напряжение на R4 также уменьшится - (U R4 J,).
R4 “ ^ЭП ’ = QКП +1 Бп) ’ ~ ^КП Т
Следовательно, напряжение UЭБП = UR2 — UR4 возрастет -
(UЭБП t), и вместе с ним увеличится ток базы, что легко понять,
рассмотрев входные характеристики транзистора. Рост тока базы должен
привести к увеличению тока коллектора - (1КП $), т. к. Iк ~ /3 • IБ .
Получается логическая цепочка взаимодействий:
1кп 1эп R4 J, ^>UЭБП f => 1БП Т => 1КП Т, (1-19)
благодаря которой ток коллектора снизится в меньшей степени.
Аналогичные механизмы стабилизации можно обнаружить для
любой другой координаты точки покоя: 1БП , 1ЭП , UБЭП или Uкэп .
Следует отметить, что стабилизация действует (хотя и менее
эффективно), даже если неравенство (1.17) не выполняется.
17
Расчет элементов схемы Г
(1.20)
В лабораторной работе заданы Ек — 10 В, R2 — 1 кОм,
R, = 820 Ом, R, = 200 Ом, Ur.Kn = 0.5 Е„.
Недостающие параметры определяются графоаналитическим
методом после построения линии нагрузки.
Получим уравнение линии нагрузки, применив второй ЗК к контуру
2:
R3 + Uэкп + UR4 .
Ек = Uэкп + R3 • 1КП + R4 • 1ЭП =
“ UЭКП ’ IКП + &4 'ОКП + 1бп) (1-21)
Током базы в выражении (1.21) можно пренебречь, т. к. IБ «Iк
тогда окончательное выражение для нагрузочной прямой примет вид:
Ек ~ Uэкп + 1-кп ' (^з + R4) • (1.22)
Определим сопротивление резистора Rj.
По второму закону Кирхгофа для контура 1:
^К = UR1 + UR2 , (1-23)
где UR1 = IR1 • R1 = (1БП + IR2)• R1 = (1БП + UR21R2 )• Rj,
UR2 — UЭБП + 1ЭП • R4 = UЭБП + Окп + 1бп) ' ^4 •
Подставляя два последних выражения в (1.23) и разрешая
относительно Rj, получаем:
р _ ^К ~ UЭБП ~ ^КП ' Е4
~ ТТ Т р •
J U ЭБП 1 КП ’ 1У4
“l R,
(1-24)
18
Схема задания положения точки покоя с резистором /?ф и
эмиттерной стабилизацией - схема Д (рис. 1.2, д).
В схеме Д одновременно имеют место не один, а два механизма
стабилизации точки покоя. Один аналогичен действующему в схеме В,
другой - в схеме Г.
Предположим, на транзистор действуют факторы любой природы,
уменьшающие ток коллектора - (1КП J,).
С одной стороны, это должно привести к уменьшению тока через
7?ф , так как IКФП = 1КП J, +IR1 и, следовательно, к увеличению
напряжения между точками 2 и 1:
U21 = Ек ~ UКФП = — 1КФП • Кф •
Увеличение U 21 приведет к росту UR2 ,так как по соображениям
аналогичным рассмотренным для схемы Б: UR2 ~ • U21.
С другой стороны, уменьшение тока коллектора приведет к
снижению напряжения на эмиттерном резисторе R4 , так как
UR4 — Ijn ’ ^4 ~ ^КП ’ ^4 •
Увеличится напряжение база-эмиттер, так как
Uэбп = UR2 Т — UR4 По входной характеристике видно, что возрастет
ток базы, а вместе с ним и ток коллектора, так как Iк & /3 • IБ .
Коротко:
В итоге ток коллектора изменится в меньшей степени, чем это могло
бы произойти в схемах А или Б, в которых нет обратной связи.
Выведем теперь уравнение линии нагрузки.
По IIЗК для контура 2:
Er “ Uкфп + UR3 + Uэкп + UR4 . (1.25)
Er = + Ir2)' &ф + IКП ’ ^3 + Uэкп + ^ЭП ’ ^4 (1.26)
19
На практике ток делителя является во много раз меньшим тока
коллектора (IR2 «1КП ). Кроме того, (1ЭП ~ 1КП ). С учетом этих
допущений (1.26) упрощается:
Ек ~ ^кп ’ (^ф R3 R4) Uэкп • (1-27)
В некоторых случаях током IR2 нельзя пренебречь. Чтобы учесть
его в формуле линии нагрузки, удобно применить эквивалентные
преобразования схем, а именно теорему Тевенена [8] (рис. 1.3), где
R п
^экв =ЕК----------• О-29)
э ' R' + R"
R' Rjkb
(а) (б)
Рис. 1.3. Эквивалентные преобразования по теореме Тевенена
Схеме на рис. 1.2, д соответствует эквивалентная схема на
рис. 1.2, е, полученная по теореме Тевенена в предположении, что ток
базы пренебрежимо мал. Такому допущению на принципиальной схеме
соответствует обрыв в цепи базы. Применительно к рис. 1.2 (е) формулы
(1.28), (1.29) дают:
Rf _ ЕФ * (Е1 + R3)
Ф~ R<p+R]+R2
F, _F
J_J t/~ J_J t/~
* R&+Rl+R2
Более точное выражение для линии нагрузки:
Е к ~ Iк ' (R ф + R3 + R4) + Uэк •
(1.30)
(1-31)
(1-32)
20
Исследование положения точки покоя при изменении напряжения
питания
На рис. 1.4 показаны кривые, отражающие характер зависимости
икэп = f(Eк) для схем А, Б, В, Г. Значения сопротивлений
резисторов были выбраны таким образом, чтобы при напряжении
питания Ек = 10 В во всех четырех схемах положение точки покоя
было одинаковым. Линии нагрузки во всех четырех случаях также
совпадают. Из графиков следует, что отклонения Ек от номинального
значения приводят к существенно разным последствиям и наихудший
вариант - схема Б.
Рис. 1.4 был получен с применением программы схемотехнического
моделирования MICRO САР 7 за несколько минут. Но, как показывает
опыт, понять особенности работы схемы лучше всего, однажды
рассчитав ее вручную. Поэтому дальнейшие расчеты будут проводиться
графоаналитическим методом.
Рис. 1.4. Зависимости Uкэп = f(EK) для схем А^Г
Вообще, для применения графоаналитических методов требуется
знать следующие предпосылки:
- принципиальную схему устройства;
- вольтамперные характеристики (ВАХ) применяемых нелинейных
приборов;
- законы Кирхгофа и Ома.
21
Следует обратить внимание, что в этом списке отсутствует пункт
«знание внутреннего устройства нелинейных элементов и физики их
работы». Эта информация в обобщенном виде содержится в семействе
вольтамперных характеристик используемых приборов.
Перед началом подготовки к лабораторной работе следует взять у
преподавателя входные и выходные ВАХ транзистора Вашего варианта
(полученные экспериментально).
Удовлетворительная точность построений достигается при
использовании миллиметровой линейки.
Входные и выходные вольтамперные характеристики транзисторов
объединяют по три переменные, поэтому для отображения ВАХ
идеальным вариантом была бы трехмерная система координат, в которой
для параметра по току базы отводилась бы третья координата,
перпендикулярная плоскости рисунка, однако на практике все расчеты
проводятся с помощью семейства ВАХ. Семейство ВАХ - это
совокупность нескольких двумерных кривых, каждая из которых
получена при неизменном значении третьей координаты (параметра).
Каждая кривая в семействе представляет собой сечение трехмерной
поверхности ВАХ плоскостью, перпендикулярной оси параметра. При
графоаналитических расчетах часто необходимо построить характе-
ристику, соответствующую промежуточному значению параметра (тока
базы). Для решения этой задачи целесообразно применять метод
линейной интерполяции, суть которого изложена на рис. 1.5.
22
Известны соседние выходные ВАХ, соответствующие токам базы
пх Л1Б и (п + 1)х ЛIБ . Требуется построить промежуточную
характеристику, соответствующую 1БП , как показано на рис. 1.5.
Для этого, по вертикальным линиям сетки графиков ВАХ слева и
справа от области решения измеряется линейкой размер X . Затем
составляется пропорция:
X, мм — Л1Б , мкА
Y, мм — IБ , МКА.
В пропорции Л1Б= 1БП —ПХ ЛIБ .
Далее, из пропорции определяется длина отрезка Y в мм, который
требуется отложить вверх от характеристики пх Л1Б чтобы получить
точку для промежуточной ВАХ при 1БП :
ЗЛ
ь
Соединяя две полученные точки прямой линией, получаем участок
ВАХ, соответствующий величине тока базы покоя в окрестности точки
решения. Построения такого вида присутствуют на рис. 1.6 (б).
Еще одно важное замечание. Обычно приводимое в справочниках
семейство входных характеристик состоит из двух кривых. Одна из них
соответствует U кэ = О В, а другая - U кэ = 2 В, 5 В, или 10 В (иногда
какому-либо другому значению U кэ ). В расчетах следует использовать
вторую характеристику, независимо от того, какое у исследуемой схемы
реальное значение U кэ (главное - чтобы оно было больше 0,5^1 В).
Дело в том, что при значениях U кэ , больших 0,5^1 В, все входные
характеристики находятся очень близко друг к другу и практически
сливаются.
23
Графоаналитический расчет функций U3Kn = f(EK)
Строить графики зависимостей U3Kn = f (Ек) для схем А, Б, Г
будем при Ек G (0 4-16) В, поскольку такой диапазон напряжений
позволяет обеспечить источник питания.
Построения для схемы А показаны на рис. 1.6, а расчеты для
построений сведены в табл. 1.4.
Таблица 1.4.
Пример графоаналитического расчета по рис. 1.6.
1 2 3 4 5 6 7 8
/7 В Ек X, ' мкА /,,мкА b ’ при £Лд=0,8В jd ~ ^БП ’ мкА U ЭБП’ В Ек Rs ’ мА UЭКП ’ В ^КП ’ мА
2 10.3 6 6,74 0.62 2 1.35 0.65
4 20.6 16 16,6 0.64 4 2.4 1.52
6 31 27 27,6 0.655 6 3.2 2.7
8 41 37 38,5 0.665 8 4.2 3.8
10 51.5 47 47,5 0.665 10 5 4.9
12 62 58 58,5 0.675 12 6 6
14 72 68 68,4 0.685 14 6.7 7.28
16 82 78 78,5 0.69 16 7.5 8.5
Комментарии к построениям на рис. 1.6 по данным табл. 1.4.
1. Задаются напряжением Ек (колонка 1).
2. Рассчитывают значения колонок 2 и 3 по определенной ранее
величине резистора Т?7 и уравнению (1.1). Используя полученные
значения колонок 2 и 3 в координатах семейства входных характеристик
строят входную нагрузочную прямую.
3. Находят точку пересечения этой прямой с входной
характеристикой и определяют координаты UЭБП и 1БП точки покоя
(колонки 4, 5).
4. На выходных ВАХ строят линию нагрузки (колонки 1, 6) и, найдя
точку ее пересечения с характеристикой, соответствующей 1БП ,
определяют недостающие координаты точки покоя U3Kn и 1КП
(колонки 7, 8).
24
Рис. 1.6. Графические построения к расчету зависимости
U3Kn ~ f(EK) Для схемы А
25
Точки решений (точки покоя) на рисунках 1.6, 1.8, 1.10 обозначены
короткими наклонными штрихами.
Построениями на рис. 1.6 (а) приближенно решалась система
уравнений:
f Е -TJ
т _ пК U ЭБ
1Б=/(иЭБ)тт _тт О
и эк ~ и экп
Построениями на рис. 1.6 (б) приближенно решалась другая
система:
Не трудно заметить равенство левых частей уравнений (*) и (**) и
то, что в их правых частях содержатся одинаковая переменная.
Переменная в левой части уравнения и одна из переменных правой части
являются одновременно подписями осей координат. (В первом случае
это IБ и U ЭБ, а во втором - Iк и U кэ .) Такая группировка переменных
в уравнениях позволяет простое пересечение их графиков
интерпретировать как решение системы, т. е. находить искомую точку
покоя.
Построения для схемы Б показаны на рис. 1.8, а расчеты к ним
сведены в табл. 1.5.
Сначала, воспользовавшись теоремой Тевенена (формулы (1.28) и
(1.29)), нужно преобразовать схему Б так, как показано на рис. 1.7, затем
применить ту же методику, что и для схемы А. Единственное отличие
состоит в том, что прямые Н8 на входных характеристиках строятся по
уравнению для контура 1, рис. 1.7:
^экв. = U ЭБП + ^БП^экв. (1.33)
26
Рис. 1.7. Эквивалентное преобразование
схемы Б
_ Rj ' &2
Ri + R,_
(1.34)
E =EK---------2-— (1.35)
экв- K R,+R2
Таблица 1.5
Пример графоаналитического расчета по рис. 1.8
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Ек В НН со % я U ЭБ -> В при 1б = 250 мкА Т’ мкА при U^ = jd 0,8 В Б И мкА Б ЭБП В Ек мА БЖ п В Бп мА
8 0.546 0.48 0 0.546 8 8 0
9 0.615 0.55 5.5 0.61 9 8.37 0.6
9.5 0.649 0.58 19 0.64 9.5 7.4 1.96
10 0.683 0.61 44 0.67 10 5.46 4.5
10.5 0.72 0.65 86 0.69 10.5 2.54 7.93
11 0.751 0.68 133 0.71 11 0.18 10.8
12 0.82 0.75 71 250 0.75 12 0.19 11.85
16 1.1 — — >250 — 16 0.23 15.8
Колонка 3 таблицы 1.5 рассчитывается при значениях IБ равных
максимальным значениям исходных графиков ВАХ (на ВАХ по
вариантам это 200 мкА). Колонка 4 таблицы 1.5 необходима только для
случая, когда величина 2?экв выходит за пределы графика входной ВАХ.
Если входная нагрузочная прямая вообще выходит за пределы ВАХ
(например при Ек =16 В), то в колонках 3^6 можно поставить прочерк,
но колонки 8 и 9 необходимо заполнить по пересечению выходной
нагрузочной прямой с аппроксимированной линией режима глубокого
насыщения.
27
Рис. 1.8. Графические построения к расчету зависимости
Uэкп ~ f(EK) Для схемы Б
28
Таблица 1.6
Пример графоаналитического расчета по рис. 1.10
/7 В и г “ в № итер. ^БП ’ мкА ^КП ’ мА UЭБП ’ В UЭКП ’ В Примечание
2 0.342 1 0 0 0.342 2 Решение
4 0.684 1 0 0 0.684 —
2 10 1 0.48 —
— 3 0.3 0.59 3.6 Решение
6 1.026 1 15 1.63 0.688 —
2 25 2.5 0.526 —
3 20 2 0.61 —
— 16.3 1.6 0.64 4.35 Решение
8 1.368 1 30 3.0 0.74 —
2 40 4 0.535 —
— 32.6 3.2 0.64 4.35 Решение
10 — — 48 5 0.67 5 Решение
12 2.052 1 60 6.3 1.24 —
2 65 6.74 0.65 —
3 62 6.52 0.7 —
— 62.5 6.6 0.68 5.5 Решение
14 2.394 1 80 8.26 0.675
2 75 7.93 0.745
— 78.5 8.2 0.69 5.8 Решение
16 2.736 1 100 10.2 0.61 5.9
2 90 9.5 0.79 6.6
3 95 9.9 0.7 6.2 Решение
Построения для схемы Г показаны на рис. 1.10, а расчеты для
построений сведены в табл. 1.6.
Сначала, воспользовавшись теоремой Тевенена (формулы (1.28) и
(1.29)), необходимо преобразовать схему Г так, как показано на рис. 1.9.
Рис. 1.9. Эквивалентное преобразование схемы Г
R/ + R2
Г R2
= ----------—
29
Рис. 1.10. Графические построения к расчету зависимости
иэКп = f(EK) для схемы Г
30
Далее методика расчета схемы Г несколько отличается от двух
предыдущих. Общий порядок таков.
Задаются напряжением Ек и на выходных характеристиках строят
соответствующую ему линию нагрузки.
Поскольку линия нагрузки является геометрическим местом точек
покоя, искомое решение лежит где-то на ней. Случайным образом
задаются какой-либо точкой на нагрузочной прямой и определяют ее
координаты: Iк, Uэк и IБ. По формуле:
ЭБ ~ ^экв. “ ’ ^экв. ~ Ir' ^4 (1.36)
рассчитывают значение U ЭБ и в координатных осях входных
характеристик откладывают точку с координатами (U ЭБ ; IБ).
Пункт 2 приходится повторять несколько раз, добиваясь того, чтобы
точка с координатами (U3E ; IБ) попала на график входной
характеристики. Эта пара координат будет являться решением, то есть
координатами точки покоя (U ЭБ ; IБ). Количество попыток можно
сократить до минимума, если стремиться не к полному совпадению, а к
тому, чтобы на входных характеристиках обозначились 2 точки: одна
слева от входной характеристики, а другая справа. Чем ближе точки друг
к другу, тем точнее будет решение. Точки эти следует соединить прямой
(на самом деле это кривая, на небольшом отрезке мало отличающаяся от
прямой) и найти точку ее пересечения со входной характеристикой. Эта
точка даст искомые координаты решения. Определив ее координаты
(U ЭБП; 1БП) на выходных характеристиках, находят недостающие два
значения (U3Kn', 1КП).
Рассмотрим пример данной методики для значения Ек =12В
Итерация №1. На выходных характеристиках на линии нагрузки,
соответствующей Ек = 12 В, наугад ставится точка 1*. Определяются ее
координаты: 1Б = 60 мкА, 1К = 6.3 мА. По формуле (1.36) вычисляется
U3E = 1.24 В, которое не помещается в пределах координатного поля
входных характеристик, значит точка 1* была выбрана неудачно;
Итерация №2. На выходных характеристиках ставится точка 2*,
соответствующая большему току базы и снова находится IБ = 65 мкА,
Iк = 6.74 мА. По формуле (1.36) вычисляется U ЭБ = 0.65 В, которое уже
помещается на входных ВАХ и ставится соответствующая ему точка 2*;
31
Итерация №3. На выходных характеристиках ставится точка 3*,
соответствующая меньшему току базы и снова находится IБ = 62 мкА,
Iк = 6.52 мА. По формуле (1.36) вычисляется U ЭБ = 0.7 В, которое тоже
помещается на входных ВАХ и ставится соответствующая ему точка 3*;
Поскольку точки 2* и 3* расположились слева и справа от входной
характеристики, то, после их соединения, находят координаты искомой
точки покоя по пересечению отрезка с линией ВАХ (точка 4*):
I кп = 62.5 мкА и п = 0.68 В.
Ь 11 11
На выходных характеристиках вблизи линии нагрузки строится
небольшой участок выходной ВАХ, соответствующий 1БП = 62.5 мкА.
В точке его пересечения с линией нагрузки определяются оставшиеся
координаты: 1КП = 6.6 мА и Uэкп = 5.5 В. Они являются решением, т. е.
Рис. 1.11. Графики зависимостей Uэкп = f (Ек) для схем А, Б и Г,
построенные по результатам графоаналитического расчета
Ниже дана интерпретация этих графиков.
На кривой Uэкп = f (Ек) для схемы Б можно выделить три
характерных участка.
1. Ек принимает значения от 0 до ~8 В. При этом
32
U = F
и экп •
Данный факт можно объяснить, представив транзистор
управляемым сопротивлением (рис. 1.12). В этом случае R3 и
образуют делитель напряжения источника питания. Очевидно:
тт =г
D _i_ D к
&КЭ + з
Выражение (1.37) получается из (1.38) если RK3 оо:
U3K = lim ———---------Ек= lim -------^——-ЕК = ЕК.
эк R^RK3+R3 к + к к
R„3
(1-37)
*кэ
(1.38)
(1.39)
Из (1.39) следует, что в рассматриваемом интервале напряжений
Ек транзистор заперт, т. е. находится в состоянии отсечки. В силу этого
ток коллектора пренебрежимо мал и, следовательно, напряжение на
коллекторном резисторе R3 пренебрежимо мало. Напряжение питания
полностью падает на зажимах коллектор-эмиттер. Почему транзистор
закрыт, хотя напряжение питания отлично от нуля? Дело в том, что
U3B ~ ’ И Д° ТеХ П°Р’ пока ^эб меньше напряжения
отсечки базового тока, ток базы остается пренебрежимо малым.
Следовательно пренебрежимо малым будет и ток коллектора. При
напряжении Ек ~ 8 В достигается U3Eqtz и транзистор начинает
открываться.
2. Ек принимает значения от ~ 8 до ~ 11 В. На этом интервале
ТТ R2 Т?
U эб ~---------Ек продолжает увеличиваться, что приводит к
R1 +R2
дальнейшему открыванию транзистора. Следовательно, ток коллектора и
напряжение на резисторе R3 увеличиваются. В таких условиях U3K
будет всегда меньше Ек , так как U3K = Ек — R3 • 1К.
На рассматриваемом интервале точка покоя смещается (на
выходных ВАХ) влево и вверх, из области отсечки в область насыщения,
т. е. находится в активной области.
3. При Ек > 11 В напряжение U эк мало и практически перестает
изменяться (хотя заметна некоторая тенденция к росту). Это связано с
33
тем, что транзистор полностью открыт и дальнейшее увеличение
напряжения питания почти не приводит к уменьшению сопротивления
RK3 . К этому выводу можно прийти, устремив к нулю сопротивление
RK3 в выражении (1.39):
иж = ,Ит,------]~р~‘Ек=()- С1-40)
RK3^0 К3
1н——
KJ
Точка покоя находится в области насыщения.
На графике зависимости U3Kn = f(EK) для схемы Г можно
выделить два характерных участка.
1. Ек принимает значения от 0 до ~ 3 В. При этом выполняется
равенство (1.37) по тем же причинам, что и для участка 1 кривой для
схемы Б. Транзистор находится в отсечке.
2. При Ек > 3 В напряжение Uзк плавно нарастает с увеличением
Ек . Точка покоя смещается вправо и вверх в область больших токов
коллектора, однако она никогда не достигнет области насыщения. Дело в
том, что в выражении
^эб ~ Er ' &4 (1-41)
л7 +к2
наряду с ростом уменьшаемого происходит рост и вычитаемого. В
результате происходит ограничение роста U ЭБ, и, следовательно, тока
базы. Таким образом, каково бы ни было Ек , ток базы будет
недостаточным, чтобы ввести точку покоя в область насыщения. Такой
эффект - не что иное, как проявление действия отрицательной обратной
связи по постоянному току. Эмиттерная стабилизация позволяет
уменьшить требования к стабильности напряжения питания.
Форма графика зависимости U3Kn = f (Ек) для схемы А близка к
прямой не случайно. Выражение для напряжения эмиттер-коллектор
U3K = Ек — R3 • 1К можно преобразовать с учетом того, что ток базы
фиксирован (выражение (1.3)):
Ujr = Er ~ Р ' Iб ' —
= F F = F
R
! PR
R,
(1-42)
34
Формула (1.42) показывает, что U эк прямо пропорционально
напряжению питания. Если бы /3 не зависел от расположения точки
покоя на ВАХ, то кривая для схемы А выродилась бы в прямую. Из
(1.42), следует, что точка покоя будет находиться в активной области,
при условии
Q<--------<1. (1.43)
R1
Если резисторы Т?7 и R3 выбраны так, что выполняется (1.43), то
транзистор при любом напряжении питания будет находиться в активном
режиме (кроме Ек < ). Выражение (1.42) показывает, что схема
А сохраняет свою работоспособность в широком диапазоне напряжений
питания.
Вопросы к защите лабораторной работы №1
1. Объясните физический смысл и дайте определения понятиям:
1.1) точка покоя;
1.2) линия нагрузки;
1.3) стабилизация точки покоя;
1.4) статический режим;
1.5) транзистор закрывается;
1.6) транзистор открывается;
1.7) электрический ток;
1.8) электрическое напряжение;
1.9) электрическая мощность;
1.10) источник ЭДС;
1.11) источник тока;
1.12) электрическое сопротивление;
1.13) электрическая проводимость;
1.14) эквивалентное преобразование схем;
1.15) действующее значение тока, напряжения;
1.16) амплитудное значение тока, напряжения, активной мощности;
1.17) мгновенное значение тока, напряжения, мощности.
2. Дайте полное название схем (А^Д) и способам задания точки
покоя биполярного транзистора. Какие особенности работы схем
подчеркнуты в названиях. Поясните ответ необходимыми
математическими выкладками.
3. Сформулируйте первый и второй законы Кирхгофа и закон Ома.
4. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.
35
5. Как найти мощность, выделяемую резистором схемы в режиме
покоя?
6. Нарисуйте ВАХ транзистора при включении его с общим
эмиттером для транзисторов структуры р-п-р и п-р-п. Обратите внимание
на соответствие подписей осей координат выбранным положительным
направлениям на условном графическом обозначении транзистора
(рис. 2.2).
7. Для схем А^Д, с учетом проводимости транзистора и полярности
подключения источника Ек произведите выбор положительных
направлений токов и напряжений.
8. Составьте уравнения по 1 и 2 законам Кирхгофа для произвольно
заданных преподавателем узлов и контуров.
9. Объясните, каким образом положение точки покоя
стабилизируется в схемах В^Д.
10. По памяти нарисуйте любую из схем А^Д, заданную
преподавателем. Обозначьте элементы и объясните их назначение.
11. Составьте уравнение статической линии нагрузки для любой из
схем А^Г. Качественно постройте график этого уравнения. Отметьте на
нем характерные точки.
12. Дайте объяснение закономерностям, отображенным на графиках,
построенных по экспериментальным данным табл. 1.2 и 1.3.
Рис. 1.13. Пример формулировки задания (к вопросам 13 и 14)
13. Для одной из схем А^Г качественно задано первоначальное
положение линии нагрузки и точки покоя, затем положение, которое они
стали занимать после изменения параметров некоторых элементов, в том
числе и напряжения источника питания. Найдите что изменилось и как
(см., например, рис. 1.11).
36
14. На семействе входных или выходных характеристик транзистора
качественно задана линия нагрузки и положение точки покоя на ней
(см. рис. 1.11). Как изменят свое положение линия нагрузки и точка
покоя на входных и выходных характеристиках, если при прочих равных
условиях:
14.1) Для схемы А:
- Rj увеличилось;
- Rj уменьшилось;
- R3 увеличилось;
- R3 уменьшилось;
- | Ек | увеличилось;
- | Ек | уменьшилось;
- заменили транзистор на другой (с большим /3 );
- заменили транзистор на другой (с меньшим /3 ).
14.2) Для схемы Б те же изменения, что и для схемы А, плюс:
- R2 увеличилось;
- R2 уменьшилось;
R2
- соотношение —----— возросло (уменьшилось).
14.3) Для схемы В:
- RK увеличилось;
- RK уменьшилось;
- RB увеличилось;
- RB уменьшилось.
14.4) Для схемы Г те же изменения, что и для схемы Б, плюс:
- R4 увеличилось;
- R4 уменьшилось.
15. Дайте рекомендации по применению схем А^Г, в которых
учтите зависимость U3Kn = f(EK).
16. Произведите графоаналитический расчет положения точки
покоя, если известны номиналы резисторов, вольтамперные
характеристики транзистора и напряжение Ек для одной из схем: А, Б
или Г.
37
17. Задано эквивалентное преобразование схем по теореме Тевенена
(рис. 1.3). Выведите формулы (1.28) и (1.29) для пересчета номиналов
элементов.
18. Выведите формулу (1.36).
19. Поясните суть и последовательность графоаналитического
расчета Uэкп = f (Ек) для любой из схем: А, Б или Г.
20. Выведите формулу для расчета напряжения на выходе делителя
напряжения на двух резисторах Т?7 и R2 , если задано напряжение на его
входе.
21. Поясните механизм действия отрицательной обратной связи по
постоянному току в схемах В, Г, Д, если качественно (уменьшение или
увеличение) задано изменение одной из координат точки покоя.
22. Что означает: «р - п - переход смещен в прямом направлении»;
«р - п - переход смещен в обратном направлении»?
38
Лабораторная работа №2
Исследование усилителя звуковой частоты на основе
реостатного каскада с общим эмиттером (ОЭ)
Цели работы:
- изучить назначение элементов и принцип действия усилителя с ОЭ;
- рассчитать, а затем экспериментально проверить основные параметры
усилителя на переменном токе;
- установить влияние блокировочного и разделительных конденсаторов,
а также емкости нагрузки на амплитудно-частотную характеристику.
Подготовка к работе
1. Рассчитайте режим по постоянному току для схемы на рис. 2.7,
пользуясь графоаналитическим методом (см. метод, указания к
лабораторной работе №1 ), определите сопротивление резистора^ .
Исходные данные: Ек = 10 В, U3Kn = 0.5 Ек, R2=2 кОм,
R3 = 1 кОм, R4 = 200 Ом, RH = 2 кОм, Rr = 200 Ом, ВАХ
транзистора КТ361. В отчёте на ВАХ постройте линию ограничения по
мощности, статическую линию нагрузки, обозначьте точку покоя.
Заполните колонку «рассчитано» в табл. 2.1.
2. Для точки покоя определите параметры схемы замещения
транзистора: гБ , гк , гэ , (3 .
3. По формулам (2.27), (2.42), (2.43), (2.24), (2.36), (2.19) рассчитайте
К, ТС, г , г , у v соответственно. Заполните табл. 2.2 и 2.3.
Ы / U DA« • _£\_
4. Используя формулы 2.46^2.56 и пакет MathCAD постройте ЛАЧХ
и ЛФЧХ при двух наборах емкостей: С7 = 10 мкФ, С2 = 10 мкФ,
С3 = 0,С4 = 0.01 мкФ и С7 = 10 мкФ, С2 = 10 мкФ,
С3 = 10 мкФ, С4 = 0.01 мкФ.
5. Используя формулы 2.46^2.56 постройте ЛАЧХ и ЛФЧХ при
С2 = 10 мкФ, С3 = 0, С4 = 0.01 мкФ и нескольких значениях
С7: 0.001; 0.01; 0.1; 1; 10; 100 мкФ.
39
6. То же, что и в п. 5, но при С7 = 10 мкФ, С3 = 0,
С4 = 0.01 мкФ и нескольких значениях С2: 0.001; 0.01; 0.1; 1; 10;
100 мкФ.
7. То же, что и в и. 5, но при С7 = 10 мкФ, С2 = 10 мкФ,
С4 = 0.01 мкФ и нескольких значениях С3: 0.001; 0.01; 0.1; 1; 10;
100 мкФ.
8. То же, что и в и. 5, но при С7 = 10 мкФ, С2 = 10 мкФ, С3 = 0
и нескольких значениях С4: 1 пФ; 1 нФ; 10 нФ; 0.1 мкФ; 1 мкФ.
9. Для расчетов по пунктам 5^8 используйте программу MathCAD.
10. Приготовьте для записи результатов измерений таблицы 2.Н2.7.
Таблица 2.1
Параметры режима по постоянному току
Параметр Рассчитано Измерено После коррекции
1БП, мкА
UЭБП ’ В
1-кп ’ МА
Uэкп ’ В
Rj, кОм
Таблица 2.2
Параметры режима по переменному току
Параметр Рас- счи- тано Измерено Условия измерений
^вых. m ^вх. m Кг = С7= 10 мкФ С 2 = 10 мкФ С, = 0 С,= 10 нФ 4 f= кГц
К ^вых. m 4х. m к =
КР
>кОм
''вых.’Ом
Гк
40
Таблица 2.3
Параметры режима по переменному току
Параметр Рас- счи- тано Измерено Условия измерений
Ки ^вых. m ^вх. m Ки = Cj = 10 мкФ С2 = 10 мкФ С3 = 10 мкФ С4= 10 нФ /= кГц
К, ^вы\. m 4х. m К =
КР
гкх, кОм
''вых.’Ом
/к
Таблица 2.4
Амплитудная характеристика при С3 — О
Ц..т,В Cj = 10 мкФ С2 = 10 мкФ с5 = о С4 = 10 нФ /= кГц
ГВых.т > В
Таблица 2.5
Амплитудная характеристика при С3 Ф О
^т,В Cj = 10 мкФ С2 = 10 мкФ С3 = 10 мкФ С,= 10 нФ f= кГц
^вых. т ’ В
41
Таблица 2.6
Амплитудно-частотная характеристика
С,= 10 мкФ, С7 = 10 мкФ, С, = 0, С,= 10 нФ
/,кГц
Ц..т,В
^вых. т ’ В
Ки
Таблица 2.7
Амплитудно-частотная характеристика____________
С7 = 10 мкФ, С2 = 10 мкФ, С3 = 10 мкФ, С4 = 10 нФ
Л кГц
^.т,В
^вых. т > В
Порядок выполнения работы
1. При выполнении работы используйте сменную панель №14.
2. Соберите схему с расчетными номиналами сопротивлений,
установите напряжение питания Ек = 10 В под нагрузкой. Резистор Т?7 -
переменный, выставьте его сопротивление по омметру.
3. Измерьте координаты точки покоя, запишите их в графу
«измерено» табл. 2.1.
4. Напряжение U3Kn , скорее всего, будет несколько отличаться
от 0.5 Ек, поэтому, вращая ручку резистора Rj, добейтесь выполнения
условия Uэкп =0.5 Ек. Снова замерьте координаты точки покоя и
сопротивление резистора Rj. Запишите эти данные в графу «после
коррекции» табл. 2.1.
5. Установите в схему конденсаторы, согласно табл. 2.2.
Конденсаторы следует включать в соответствии с их полярностью.
Подключите генератор и установите его частоту примерно посередине
полосы пропускания усилителя, запишите её значение в табл. 2.2.
Установите такую амплитуду входного сигнала, чтобы на выходе
усилителя не было искажений. Сделайте измерения, необходимые для
42
расчета Ки , Kt, гвх , запишите данные в табл. 2.2. Зарисуйте
осциллограммы входного и выходного сигналов при С/вх m = 0.5 В и
С7ВХ m = 2 В. Определите напряжение насыщения С7ВЫХ нас и
отсечки Г7ВЫХОТС.
6. Для измерения Гвых подключите генератор к выходным зажимам
усилителя, а входные замкните между собой. Амплитуда напряжения
генератора должна быть небольшой, около 0.Н0.5 В. Измерьте /вых m ,
C/?11V т и запишите данные в табл. 2.2.
ddIa* Ill
7. Пункты 4 и 5 повторите для табл. 2.3.
8. Установите в схему конденсаторы согласно табл. 2.4. Снимите
амплитудную характеристику усилителя на той же частоте, что и в п. 4,
запишите результаты в табл. 2.4;
9. Проведите аналогичные п. 7 измерения, воспользовавшись
табл. 2.5.
10. Получите экспериментальные данные для построения
амплитудно-частотных характеристик, соответствующих разным
наборам конденсаторов, заданным в таблицах 2.6^2.7. Заполните эти
таблицы. Амплитуду входного сигнала можно задать любой, но важно,
чтобы на выходе не было заметных на глаз искажений формы синусоиды.
Измерения должны покрыть частотный диапазон 20 Гц^ 100 кГц.
Обработка результатов измерений
1. Сравните расчетные и экспериментальные данные табл. 2.1 и
табл. 2.2. Сделайте выводы.
2. Объясните наличие искажений на осциллограммах, снятых в п.4 и
п.6.
3. В одной системе координат постройте амплитудные
характеристики (АХ) по табл. 2.3 и 2.4. Объясните результаты. Почему
изменился наклон линий АХ? Чем объяснить резкий излом на них?
Приведите необходимые математические выкладки.
4. Экспериментальные АЧХ по табл. 2.5 и 2.6 постройте в одной
системе координат с теоретическими (см. и.5 подготовки к лабораторной
работе), определите частоты среза, сделайте вывод о влиянии С3.
5. В выводе проанализируйте влияние конденсаторов С7 С4 на
форму ЛАЧХ и ЛФЧХ, используя графики, полученные в п. 5^10
подготовки к лабораторной работе. Объясните физический смысл этого
влияния.
43
Теория и рекомендации по расчету
Усилители - это устройства, предназначенные для увеличения
мощности входного сигнала. В зависимости от вида энергии, отбираемой
от источника питания, усилители подразделяют на электронные,
механические, пневматические и т. д.
Под «сигналом», применительно к электронным усилителям,
понимают либо электрический ток, либо напряжение. В первом случае
говорят об усилителях тока, во втором - об усилителях напряжения.
Существуют схемы, усиливающие и ток, и напряжение одновременно.
Основное назначение сигналов — перенос информации. Назначение
усилителей — увеличить мощность сигнала, сохраняя закодированную в
нем информацию, либо преобразуя ее по требуемому закону.
Неотъемлемой частью усилителя является усилительный элемент -
биполярный или полевой транзистор, электронная лампа и т. д. Важно
понимать, что усилительный элемент служит не источником энергии
(источник энергии - блок питания, батарейка, аккумулятор и т. п.), а ее
распределителем. Усилительный элемент уместно сравнить с
водопроводным краном: сравнительно малым усилием регулируется
намного большая мощность напора воды.
Обычно усилители - довольно сложные устройства, состоящие из
нескольких каскадов. Под усилительным каскадом понимают часть
усилителя (которая содержит усилительный элемент совместно с
другими вспомогательными компонентами), удобную для теоретического
анализа и представляющую собой функционально законченный узел.
Сам по себе усилительный элемент не может усиливать сигналы.
Эту способность он приобретает лишь во включении со
вспомогательными элементами (как минимум, с источником питания).
По принципиальной схеме, на которой не обозначены номинальные
значения параметров компонентов, можно делать вывод только об ее
потенциальных возможностях, а тот факт, например, что сигнал
поступает на базу транзистора, не гарантирует усиления мощности.
Чтобы стать усилителем, схема должна быть тщательно рассчитана.
Расчет усилителей базируется на знании теоретических основ
электротехники, теории автоматического управления, операторных
методов, физики работы электронных компонентов. С помощью законов
Кирхгофа, Ома и элементарных приемов математики несложно получить
большинство практически важных формул, приводимых в справочниках.
Вот почему важно освоить общие подходы к составлению
математического описания электронных устройств.
При подготовке к лабораторной работе следует обратить внимание
на закономерности в выборе положительных направлений токов и
напряжений, выборе узлов и контуров, взятых для составления
44
уравнений. Важно понимать, как из более общих схем замещения
получены схемы для частных случаев, зачем применены эквивалентные
преобразования, от каких сложностей они избавляют и т. и.
Структурная схема электронного усилителя, на которой выделены
его характерные части, изображена на рис. 2.1.
Ниже даны определения трех важнейших величин,
характеризующих свойства усилителя:
1. Коэффициент усиления по напряжению - величина, равная
отношению К = г/вь1Х' . Ки показывает, во сколько раз напряжение на
и
вх.
нагрузке отличается от напряжения на входе усилителя.
2. Коэффициент усиления по току К = /вых‘ - величина,
ZBX.
показывающая, во сколько раз выходной ток, протекающий через
нагрузку, отличается от входного тока, протекающего через входные
зажимы усилителя.
3. Коэффициент усиления по мощности К = ^вых‘ - величина,
р рв*.
показывающая, во сколько раз мощность, передаваемая из усилителя в
нагрузку, больше мощности, передаваемой из генератора в усилитель.
Существует три варианта включения биполярного транзистора для
получения эффекта усиления по мощности:
45
1. включение с общей базой, для которого Kt < 1, Ки > 1,
кр=к,-ки>\-
2. включение с общим коллектором, для которого Kt > 1, Ки < 1,
кр=к,-ки>\-
3. включение с общим эмиттером, для которого Kt > 1, Ки > 1,
кр=к,-ки>\.
Каждый вариант имеет свои достоинства, недостатки и область
применения, потому говорить, что среди них какой - то лучше, а какой -
то хуже, можно только применительно к конкретной задаче. Например, с
точки зрения требований наибольшего усиления по мощности (это самый
распространенный случай) выделяется вариант 3 и реализовываться он
может с помощью большого числа схем.
Принципиальная схема одного из вариантов усилителей с общим
эмиттером, на основе каскада с фиксированным напряжением на базе и
эмиттерной стабилизацией показана на рис. 2.7. Она является предметом
исследования данной лабораторной работы.
О том, как рассчитать этот каскад по постоянному току
графоаналитически, описано в указаниях к лабораторной работе №1.
Работа каскада с общим эмиттером описана в огромном количестве
публикаций. Здесь свое внимание следует сосредоточить на технологии
получении формул Ки , Kt, Кр .
Графоаналитический метод неудобен для вычисления
коэффициентов усиления, и его применение обычно ограничивается
расчетом по постоянному току. Для расчетов по переменному току
требуется иметь электрическую модель транзистора, отражающую его
внутреннее устройство. В модели могут присутствовать
электротехнические символы (источник тока, источник напряжения,
емкость, индуктивность, резистор) и символы устройств с известными в
аналитическом виде вольтамперными характеристиками. Иначе
невозможно будет составить пригодную для полноценного анализа
систему уравнений по законам Кирхгофа и закону Ома.
Существуют десятки схем замещения биполярных транзисторов,
отличающиеся по сложности, полноте описания свойств реального
прибора; линейные, нелинейные модели. Самые простые и неточные
содержат 3-4 линейных элемента, самые сложные описываются более
чем пятьюдесятью параметрами (например, модель Гуммеля - Пуна)
[1-3, 11, 13].
46
В простых инженерных расчетах применяют линейные модели
транзистора, причем модели для расчета по переменному и постоянному
току несколько отличаются друг от друга. Область положения рабочей
точки, в которой можно применять ту или иную линейную модель строго
оговаривается. Перед тем, как воспользоваться линейной моделью,
следует убедиться, находится ли рабочая точка в допустимой области.
Вопрос о происхождении схем замещения сложен и не может быть
достаточно подробно и последовательно рассмотрен в рамках этой
методической разработки, поэтому изучите его самостоятельно по
литературе [1] и [2]. При строгом математическом подходе линейные
схемы замещения получают путем разложения функций вольтамперных
характеристик в ряды Тейлора с последующим отбрасыванием слагаемых
со степенью выше первой.
Т-образные схемы замещения биполярных транзисторов, на основе
которых получено большинство расчетных формул, имеющих
практическую ценность и достаточно удобных для инженерного анализа
показаны на рис. 2.2 и 2.3. На них буквой ”б” обозначены линейные
схемы замещения транзисторов на постоянном токе, буквой ”в” - схемы
замещения для расчетов по переменному току.
Следует иметь в виду, что расчет с применением этих моделей дает
корректные результаты, если рабочая точка находится в активной
области, причем на входных характеристиках - в близких к
прямолинейным зонах 1 и 3 (см. рис. 2.4). Если амплитуда входного
сигнала мала, то вполне удовлетворительные результаты получаются при
нахождении рабочей точки в зоне 2.
Заглавными буквами обозначены постоянные составляющие, а
прописными — переменные.
На схемах обозначены положительные направления токов и
напряжений, которых целесообразно придерживаться в расчетах. Выбор
направлений произведен так, чтобы входные и выходные ВАХ
транзисторов располагались в первом квадранте системы координат,
независимо от вида проводимости. Нужно помнить, что стрелка
обозначает направление движения положительных зарядов (если речь
идет о токе), либо направление убывания потенциала (если речь идет о
напряжении). Допустим, выбрано положительное направление
напряжения от узла а к узлу b : UаЬ . Если при расчете получено
положительное значение UаЬ , значит фактический потенциал узла а
больше потенциала узла b . Иными словами в узле а - «плюс», а в узле
b - «минус». Если UаЬ отрицательно, то полярность противоположна.
Е(,елесообразно принять за правило сопоставлять левому индексу
переменной начало стрелки, а правому - конец, то есть, придерживаться
47
равенства Uab = — Uba . Следование перечисленным правилам облегчает
как сам расчет, так и интерпретацию полученных результатов.
При проведении измерений целесообразно «плюсовой» щуп
осциллографа (или вольтметра) подключать к узлу, соответствующему
началу вектора положительного направления, а «минусовой» - к концу. В
этом случае расчетные и экспериментальные осциллограммы будут
полностью соответствовать друг другу. Особенно это важно при
проведении фазовых измерений. Общеизвестно, например, что усилитель
с ОЭ дает фазовый сдвиг (между входным и выходным сигналами
равный 180°. Данное утверждение в строгом математическом смысле
верно лишь при определенном выборе положительных направлений
входного и выходного сигналов. Допустим, положительные направления
входного и выходного напряжений усилителя с ОЭ выбраны так, как это
сделано на рис. 2.7. Тогда сдвиг фаз между входным и выходным
напряжениями на средних частотах действительно будет равен 180°.
Однако, если изменить на противоположное одно из направлений (не
одновременно!), то знак «минус» в формуле коэффициента усиления
напряжения исчезнет, что указывает на совпадение фаз входного и
выходного напряжений. Выбор положительных направлений
существенно влияет на интерпретацию фазочастотных характеристик.
В зоне 2 параметр гэ изменяется приблизительно от сотен Ом до
десятых долей Ома, что может привести к большой погрешности.
Однако, при некоторых условиях, в частности, если усилительный каскад
охвачен каким-либо видом отрицательной обратной связи, линейные
схемы замещения можно с удовлетворительной для практики точностью
применять при нахождении рабочей точки в зоне 2.
Рис. 2.2. Схемы замещения р-п-р транзистора.
Обозначения элементов на схемах замещения:
48
1. гБ - объемное сопротивление базы - электрическое
сопротивление базового слоя полупроводниковой структуры;
2. гк - дифференциальное сопротивление коллектора;
3. /3 ~ h213 - коэффициент передачи тока базы;
„ *
4. С к - емкость коллектора.
Рис. 2.4. Возможные участки расположения рабочей точки
на входных ВАХ.
Нахождение приближенных численных значений перечисленных
выше параметров можно провести по ВАХ, если определено положение
рабочей точки. Последовательность действий может быть следующей
(см., также, рис. 2.5 и 2.6):
49
Рассчитывается динамический коэффициент передачи тока базы в
окрестности рабочей точки:
U эк-U экп
1-К2
IБ2 ~ IБ1
U эк-U экп
(2.1)
1. Определяется дифференциальное сопротивление коллектора:
U ЭК4 Uэкз
(2.2)
Рис. 2.5. Построения, необходимые для расчета [5 и гк .
2. гБ и гэ вычисляются в два этапа:
2.1) Сначала находится ГБ . Для этого выбирается (рис. 2.4)
прямолинейный участок 3 входной ВАХ (независимо от того где
фактически находится рабочая точка), который затем аппроксимируется
отрезком прямой линии. Величина ГБ пропорциональна тангенсу угла
наклона а этого отрезка характеристики по отношению к оси IБ (оси
ординат):
50
Рис. 2.6. Построения к расчету ГБ и гэ
MJ.
(2-3)
м
U эк-U экп
2.2) Теперь можно вычислить гэ . Для этого на входных характеристиках
через рабочую точку проводится касательная к ВАХ до пересечения с
осью U ЭБ и определяется значение Uo п.
U -U -I -г
~ и ЭБП и0П 1БП 'Б
ГэК 1БП(1 + /Э
(2.4)
Описание схемы усилителя.
Исследуемая в лабораторной работе схема показана на рис. 2.7. На
ней выделены характерные части усилителя, о которых уже упоминалось
на рис. 2.1. Обратите внимание на обозначения токов и напряжений:
- постоянные токи обозначены заглавными буквами латинского
алфавита: 1БП , 1КП •> Uэкп , IR2 и т. д.;
- переменные сигналы обозначены прописными буквами латинского
алфавита: 1Б , iK, 1Э, иэк , iR2 и т. д.
Постоянные токи через конденсаторы не протекают (поэтому на
рис. 2.7 нигде нет их обозначений), но постоянные напряжения
присутствуют!
51
минус источниика питания
Рис. 2.7. Принципиальная схема исследуемого усилителя.
Назначение элементов схемы
Режим по постоянному току создается с помощью резисторов
Rr^-
Сопротивления и R2 служат для подачи на базу транзистора
постоянного напряжения смещения.
Сопротивления R3 и R4 задают положение линии нагрузки и
ограничивают максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе.
Конденсаторы С7 и С2 - разделительные. Их назначение
заключается в преграждении пути постоянной составляющей тока из
усилителя в генератор (С7) и из усилителя в нагрузку (С2 ).
Справедливо и обратное: если сигнал с генератора имеет
постоянную составляющую, то разделительный конденсатор не
пропускает ее в усилитель.
Конденсатор С3 - блокировочный. Емкость конденсатора С3
выбирается таким образом, чтобы в диапазоне рабочих частот его
реактивное сопротивление было малым по сравнению с R4 . А раз так, то
ток эмиттера i3 = iC3 + iR4 определяется, в основном, только первым
слагаемым. То есть на рабочих частотах R4 не влияет на работу
усилителя - «блокируется». Принято говорить, также, что С3 блокирует
отрицательную обратную связь по переменному току; по постоянному
току этот механизм продолжает действовать.
Блокировка обратной связи приводит одновременно к нескольким
последствиям:
1. Уменьшается входное сопротивление усилителя. Как правило, это
нежелательно;
2. Увеличиваются нелинейные искажения;
3. Увеличивается коэффициент усиления (обычно именно этот
эффект является целью включения С3 );
4. Уменьшается полоса пропускания усилителя что, чаще всего,
нежелательно (Иногда с помощью С3 полосу пропускания сужают
целенаправленно). Исключение составляет случай так называемой
эмиттерной коррекции, целью которой является расширение полосы
пропускания. Подробнее о ней можно прочесть, например в [2] и [3].
В ряде случаев С3 в схему не включают, что влечет за собой
последствия, обратные перечисленным в пунктах Н5.
53
Необходимость разделения сигналов на переменные и постоянные
составляющие продиктована расчетом усилителя по методу наложения,
основанном на принципе суперпозиции ([7], [8]).
Суть принципа суперпозиции в следующем: токи и напряжения в
любой ветви схемы могут быть представлены алгебраической суммой
составляющих, обусловленных действием каждого источника в
отдельности.
В данном случае имеются два источника: Ек и ег . Составляющие
воздействия от Ек обычно рассчитывают графоаналитическим методом,
например так, как об этом было рассказано в указаниях к лабораторной
работе №1.
Составляющие сигналов от источника ег определяют методом
наложения:
Для расчета электрических схем с несколькими независимыми
источниками питания необходимо рассчитать токи и напряжения ветвей
схемы от каждого из источников в отдельности, а результаты сложить.
При исключении из схемы источника напряжения его цепь
закорачивается, а источник тока размыкается. При наличии у источника
внутреннего сопротивления, его оставляют на месте исключения.
Согласно метода наложения, для расчета воздействия от ег,
необходимо заменить перемычкой источник питания Ек . Результат
такого преобразования приведен на рис. 2.8 (а), по которому уже можно
делать качественные выводы о работе усилителя на переменном токе, а
вот количественно описать ничего нельзя, так как транзистор является
нелинейным элементом с тремя выводами, образно говоря, «черным
ящиком».
Для количественных расчетов транзистор заменяют математической
моделью, основанной на соответствующей схеме замещения.
Следует помнить, что метод наложения справедлив только для
линейных схем, тогда как транзисторный усилитель является схемой
нелинейной. Замена транзистора линейной схемой замещения является
актом линеаризации, после которого схема больше не содержит
нелинейных компонентов, и, значит, к ней можно применять все методы
расчета линейных схем.
Результат перехода к линейной схеме замещения представлен на
рис. 2.8, б.
54
(aj
Рис. 2.8. Полные схемы замещения усилителя на переменном токе.
Направления токов, принятых в изначальной схеме, должны
сохраняться на всех подсхемах, полученных путем ее эквивалентных
преобразований!
Так как в усилителе имеются реактивные элементы, требуется
привлечение математического аппарата комплексных чисел.
Оценивая схему на рис. 2.8 (б) с практической точки зрения, следует
отметить, что она пригодна для вывода формул следующих величин
(СО - круговая частота):
<=/(®) (2-5)
К,=Л«О (2.6)
Кр=Л«О (2.7)
^вх.(®) = у^ (2-8)
1 вх.
= (2.9)
1 вых.
По линейной схеме замещения можно провести оценку линейных
(т. е. вызванных наличием реактивных элементов) искажений спектра
входного сигнала, рассчитать переходную характеристику и ряд других
величин, т. е. для весьма полноценного анализа.
При увеличении амплитуды входного сигнала, начиная с некоторого
ее значения, в выходном сигнале возникают искажения, вызванные
вхождением транзистора в режим насыщения или отсечки. Они
характеризуются двумя параметрами: выходным напряжением
насыщения и выходным напряжением отсечки ,vi„ .
ijdIa* n.dV« ВЫл» 01V»
Линейная схема замещения не позволяет оценить эти величины.
Методика расчета [7ВЫХ няс и [7 приведена ниже.
Величины К, К-, Z^ , Z^„ - комплексные, поэтому можно
выделить их модуль:
Z (<у) = +(ReZ(ty))2 , (2.10)
Х(б>) = 4lm№))2+(ReA7«))2 (2.11)
и фазу:
/ х Im Z(<y)
<Pz ) = arctg , (2.12)
ReZ(co)
56
/ \ ImAT(<y)
(рк\а>) = arctg——(2.13)
Re АГ(/у)
а затем представить в экспоненциальной форме:
Z(<y) = Z(®)-e^z(<a) (2.14)
AT(<y) = ^(<y)-e7ft(<a) (2.15)
Особенно удобны для таких манипуляций с комплексными
функциями специальные математические пакеты, например MathCAD,
Matlab, Mathematica, Maple и т. и.
Зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от
частоты |ЛГм(й>)| называется амплитудно-частотной характеристикой
(АЧХ), а функция <р(со} - фазочастотной характеристикой (ФЧХ).
Типичный вид АЧХ усилителя с ОЭ показан на рис. 2.9.
Рис. 2.9. Типичная АЧХ усилителя с ОЭ.
С помощью понятий «нижняя частота» и «верхняя частота» на АЧХ
принято выделять три области (см. рис. 2.9 и 2.19^2.22): области нижних
и верхних частот, на которых коэффициент усиления сильно зависит от
частоты, и область средних частот в которой его изменение не настолько
значительно.
Полосой пропускания называется диапазон частот /нИЖН до /верх ’
которые называются, соответственно, нижней и верхней частотами.
57
Частоты /нижн и Херх характеризуются тем, что на них коэффициент
усиления в д/2 раз меньше максимального, то есть
ки (/нижн ) = ки (f ) = -?=• (Ки )тах « 0.707 • (Ки )тах .
и нижн, х и верх, х у х и х шах \ и х шах
Возникает вопрос: откуда взялся множитель 1/д/2 , с учетом
которого, коэффициенты усиления на частотах среза отличаются от
максимального не на 1%, не на 5%, а почти на 30%? Дело в том, что в
логарифмических координатах амплитудно- и фазочастотные
характеристики могут быть приближенно представлены отрезками
прямых. Иллюстрацией к сказанному могут служить рис. 2.18Е2.21, на
которых некоторые участки логарифмических АЧХ мало отличаются от
прямых линий. В точках пересечения этих прямых, при некоторых
дополнительных условиях, точное значение от приближенного
1 1/ /X
отличается в т • —j= раз, где т - целое число. Множитель 1/л/2 взят не
столько из физических соображений, сколько из соображений удобства
применения расчета, основанного на представлении передаточных
функций с помощью стандартных операторных звеньев. Более подробно
с этим методом (с практической точки зрения) можно ознакомиться в [1].
Математические основы метода излагаются в учебниках по теории
автоматического регулирования, например, [14].
Из физических соображений целесообразно АЧХ на рис. 2.9
разделить точками А и В на три участка, которые выбраны так, чтобы
фрагмент АВ мало отличался от прямой. Участки АЧХ левее точки А, АВ
и правее точки В обозначены, соответственно, цифрами 1, 2, и 3.
Оказывается, каждому из этих участков можно сопоставить свой вариант
упрощенной схемы замещения, провести по ней расчет и построить
соответствующий фрагмент АЧХ, затем соединить фрагменты и
получить АЧХ для всего частотного диапазона.
Это условное разделение основано на том, что сопротивление
реактивных элементов зависит от частоты. Для конденсатора
Zc = —j------------. Если емкости двух конденсаторов отличаются на
2-тг • f С
несколько порядков, то на одной и той же частоте их сопротивления тоже
будут отличаться на несколько порядков. Обычно С1, С2 и С3 имеют
емкость единицы - сотни микрофарад, а С4 и Ск - единицы - сотни
58
пикофарад, то есть отличаются на 4-6 порядков. На то же число порядков
отличаются их сопротивления на любой частоте.
Фрагмент 1 - область низких частот. В ней можно не учитывать
влияния С4 и Ск , считая емкостные сопротивления (см. рис. 2.10)
бесконечно большими, и что по этой причине токи через них не
протекают.
Фрагмент 2 - область средних частот (СЧ) - в ней можно полагать,
что емкостные сопротивления конденсаторов С7, С2 и С5, - ХС1,
^С2 И ХСз
- бесконечно малы, а X *
'-к
и ХС4 пока ещё не сказываются
на работе усилителя, т. е. бесконечно велики.
Фрагмент 3 - область высоких частот (ВЧ) - в ней, как и на средних
частотах С7, С2, С3 обладают практически нулевым сопротивлением,
но и влиянием Хс^ и ХС4 уже пренебречь нельзя (см. рис. 2.11).
Качественно работу схемы на участках 1, 2, 3 можно
прокомментировать еще одним способом. Высокий коэффициент
усиления будет в том случае, если, во-первых, энергия генератора с
минимальными препятствиями достигает электродов управления
транзистором, и, во-вторых, она с минимальными препятствиями
поступает в нагрузку.
На низких частотах С7 препятствует прохождению энергии
управления, так как обладает значительным сопротивлением. Поэтому
лишь малая доля возможной мощности доходит до транзистора, и он
работает «вполсилы». Вместе с этим С 2 не дает усиленному сигналу
свободно проходить в нагрузку, так как его сопротивление ХС2 тоже
велико. Коэффициент усиления уменьшается.
На средних частотах сопротивления ХС1, Хсз малы и энергия
управления в полной мере достигает транзистора. Одновременно энергия
усиленного сигнала беспрепятственно достигает нагрузки, так как ХС2
мало. В итоге коэффициент усиления максимален.
59
Рис. 2.10. Схема замещения усилителя на переменном токе для диапазона низких частот.
Рассматривая этот вариант эквивалентной схемы нетрудно заметить, что он отличается от рис. 2.8
отсутствием коллекторной емкости и емкости нагрузки. Отсутствие элемента означает, что по нему не протекает
ток, т. е., исключая из схемы какой-либо элемент, мы тем самым, полагаем его сопротивление равным
бесконечности.
Рис. 2.11. Схема замещения усилителя на переменном токе для диапазона высоких частот.
Данный вариант схемы отличается от базового тем, что в нем конденсаторы Су, С2 и Cj заменены
короткозамкнутыми перемычками. Сопротивление короткозамкнутой перемычки равно нулю, а потому, по закону
Ома, и падение напряжения на нем равно нулю. Сигналы через такой участок цепи проходят беспрепятственно.
Р ’ С
4
Рис. 2.12. Схема замещения на средних частотах.
Рис. 2.13. Упрощенная схема замещения на средних частотах с источником тока.
На высоких частотах Хс^ мало, поэтому ток источника (3 • 1Б
вместо того, чтобы поступать в нагрузку, замыкается через Ск .
Одновременно /3 имеет свойство уменьшаться с ростом частоты. Кроме
того, ХС4 мало по сравнению с RH , поэтому выходной ток течет
главным образом не через нагрузку, а через С4 . Активная мощность,
выделяемая на RH , уменьшается.
В итоге мощность усиленного сигнала, вместо того, чтобы
поступать в нагрузку, рассеивается в виде тепла внутри усилителя.
Коэффициент усиления уменьшается.
Проще всего анализировать работу усилителя в области СЧ, т. к. для
этого диапазона частот эквивалентная схема не содержит реактивных
элементов, а выражения К , К-, , Z^„ дают действительные
7 А 1Л J I J DA. 7 ВЫХ.
значения, не зависящие от частоты.
Рассчитать коэффициент усиления на средних частотах можно,
упростив рис. 2.8 (б), вводом следующих допущений:
Реактивные сопротивления ХС1, ХС2 уже пренебрежимо малы.
Они принимаются равными нулю.
Реактивные сопротивления Xс* , Х(^ пока еще достаточно
велики. Они принимаются равными бесконечности.
Будем полагать, что емкость С3 не шунтирует R4 . Блокировка
обратной связи может быть учтена в конечной формуле Ки подстановкой
значения R4 = 0.
Преобразованная при таких допущениях схема показана на рис. 2.12.
Ее расчет можно непосредственно проводить каким-либо формальным
матричным методом, однако при этом труднее понять взаимодействие
элементов и интерпретировать громоздкие формулы. Целесообразно на
определенных этапах расчета применять эквивалентные преобразования,
благодаря которым конечный результат получается быстрее проще и
компактнее.
Внимательное рассмотрение схемы позволяет упростить ее путем
эквивалентного преобразования источников (рис. 2.14). При этом
сокращается число контуров, а значит и число уравнений по второму
закону Кирхгофа.
Источник тока, работающий на два параллельных сопротивления
(рис. 2.14, а), может быть заменен эквивалентным источником тока,
работающим на одно сопротивление (рис. 2.14, б). При этом ток и
63
напряжение на зажимах не преобразованной части схемы остаются
неизменными. В данном случае не изменяемой является часть,
содержащая резистор R" , то есть без изменений должны остаться IR„ и
аЬ •
Выведем формулы этих преобразований. Для этого определяется ток
через резистор R" (рис. 2.14, а).
R' + R"
(2-15)
откуда
IR„ = ^ = 1—
R R" R' + R"
(2.16)
Uab
(5)
Рис. 2.14. Эквивалентная замена источника тока
Чтобы величина IR„ в схеме 2.14, б не изменилась, следует задать
т Rf
ток источника тока равным 1---------.
R’ + R"
Ниже рассмотренные преобразования применены для того, чтобы
избавиться от элемента гк в схеме замещения. Внимательное
рассмотрение показывает, что роль R' играет сам резистор гк, а роль
R" - эквивалентное сопротивление оставшейся части схемы,
измеренное относительно зажимов 7 и 8 (рис. 2.15).
64
R" = R3 \\ RH + (гэ + R4)\\ (гБ + Rr \\R12)
(2-17)
R"
Ri'Rh
R3+RH
(гэ+7?Д-(^ + ^r 'R'2 )
+ r12
rq + 7?, + rP +
.J -tn
к,-к,г
R, + Л,,
(2.18)
Рис. 2.15. Эквивалентная цепь сопротивлений между зажимами 7 и 8.
Rf
Обозначим дробь --------как называется
Rr + R"
коэффициентом токораспределения коллекторной цепи)
R’
к R’ + R"
— * 7
rK4R3\\RH+{r3+R4)\\(rE4Rr\\RI2)
Коэффициент ук показывает, какая доля тока источника /3 • 1Б
ответвляется в коллекторную цепь.
Схема на рис. 2.12 упрощается - см. рис. 2.13. По рис. 2.13 легко
получить формулы для гвх и Ки . Начнем с Гвх . Обозначим
эквивалентное сопротивление части схемы, расположенной правее
зажимов 5, 6 как г5б , тогда
R • г
rBX.=R12\\r56=^^. (2.20)
R12+r56
65
В свою очередь,
г56= — • (2.21)
15б
По 2-му закону Кирхгофа для контура 1:
«вх. = U56 = ~*Б • ГБ - h <r3+R4) =
= — iE • rE — (iE +iK)- (гэ + R4) =
= ' ГБ ~ ^Б + P 'iБ ' /.К ) ' О + P 'УкР' (ГЭ "* R4 ) =
= ~iE fa + (гэ +RP-(l + P-y/c)J (2.22)
Учитывая, что Z56 = — iE :
^=^+(^э+^)-(1 + ^-Гк) (2-23)
гвх. = R12 life +Оэ+ЯД (1 + р-ГЛ (2.24)
Получим теперь формулу для коэффициента усиления по
напряжению на средних частотах:
= «вых, (2.25)
Мвх.
Ток коллектора протекает через параллельное соединение Rk и Rh,
создавая между зажимами 3,4 напряжение и34 :
U34 = ^вых. = ’ (^5 II ^н) =
= Р ’ Р ’ У К ’ II ^я) (2.26)
Подставляя (2.22) и (2.26) в (2.25) получим:
g ___h 'Р 'Ук II ^я]_______________
и -1б[гб+(гэ+К4У(\ + Р^к}\
Г,;+(Г3+^)-(1 + Д-/,.)
Знак в формуле 2.27 означает, что на средних частотах фаза
сигнала изменится на 180° - говорят, что сигнал инвертируется. То есть,
например, если совместить в одной системе координат графики входного
и выходного напряжений, то один из другого может быть получен
зеркальным отражением относительно оси времени. (Разумеется,
масштабы этих графиков разные.)
66
Рис. 2.16 Упрощенная схема замещения усилителя на средних частотах с источником ЭДС.
Параллельное соединение сопротивления коллектора и источника коллекторного тока заменено
последовательным соединением источника ЭДС и того же коллекторного резистора. Такое преобразование
позволяет уменьшить число контуров, и, как следствие, число уравнений, которые можно составить для них по
второму закону Кирхгофа.
Рис. 2.17. Определение выходного сопротивления.
Для расчета выходного сопротивления, схему на рис. 2.12
целесообразно снова преобразовать, заменяя источник тока источником
ЭДС (см. рис. 2.16.
При расчете гвых , как это следует из теории, следует источник
сигнала ег заменить перемычкой, а напряжение тестового источника
подать на выходные зажимы 3 и 4 - см. рис. 2.17.
и
^вых.=— (2.28)
I
вых.
Для участка 7-8 применена теорема о замещении источника тока
эквивалентным источником напряжения.
Как следует из рис. 2.17, гвых = R, || г89, где Г89 - это
эквивалентное сопротивление участка, расположенного слева от зажимов
8 и 9. Остается найти Г89 :
г89 = — - (2-29),
189
Где
^89 ~ ~^К ’ (2.30)
и89=епых. • Q-31)
Для этого записывается система уравнений по 2-му закону Кирхгофа
для контуров 1 и 2:
= -tK-r*K-(iK+is)-(r3 + R4)
0 — iB • (гБ + Rj31| Rr) + (ip + ip) • (/3 + R4)
Затем система (2.32) приводится к матричному виду и решается
методом Крамера:
г£.(гэ+7?,-/?т;) iK-(Гр+гэ +R4)
Je ' (ГБ К-12 II Кр ГЭ К4 ) ip • (Г3 + Rj)
Откуда
j _____________________евых. * (r£ ^12 11 +ГЭ + )__________________
(гэ + R4 — /3 (гэ + R4} ~ + гэ + R4) • (гБ + R12 || Rr + гэ + R4}
^вых.
о
68
^вых.
________ГЭ + &4________
ГБ + ^12 II *Г + ГЭ + К4
<r3+R4-/3-r*K}-r*K+r3+R4
(2.33)
Принято обозначать:
_________гэ + К4_________
гб К1211 Rr + r3+R4
(2.34)
Величина уБ называется коэффициентом обратной связи. уБ
показывает, какая доля тока коллектора ответвляется во входную цепь (в
цепь базы). Более подробно уБ рассмотрен в [2].
Подставляя (2.33) в (2.29) с учетом (2.34), получаем:
Г89 =Бк+ГЭ+КБ-Бэ+К4-^-Гк')-Уб = = г*к • (1 + /3 • уБ) + Гэ + R4) • (1 - /Б) Окончательно: (2.35)
= Г II • (1 + Р • Г б) + Гэ + R4) • (1 - /б)] (2.36)
Теперь можно рассчитать коэффициент усиления по току. Согласно
схеме на рис. 2.13, по 2-му закону Кирхгофа для контура 2:
?г = Б. <Rr +гвх.) (2.37)
откуда zbx. = D Rr+rB*. Напряжение г/вых создаёт в нагрузке ток ZBbIX : и К -и : вых. и вх. вых. ~ ~ „ Учитывая, что w =—— ег R, +Гвх. получаем: (2.38) (2.39) (2.40)
i = к и'/вх- . е RH(Rr+fBJ (2-41)
и, наконец: i г к' ~Г'Ки ZBX. Кн (2.42)
69
Коэффициент усиления по мощности:
? г
Кр=К,.Ки=Ки2-^- (2.43)
Исследование частотных свойств усилителя
Рассчитать и построить АЧХ и ФЧХ для всего диапазона частот
можно по формуле (2.46), выведенной при анализе схемы на рис. 2.8, б.
Следует отметить, что в (2.46), переменные рассредоточены по
числителю и знаменателю. Поэтому по (2.46) очень сложно проследить
влияние элементов усилителя на форму ЛАЧХ и ЛФЧХ. Существуют
специальные способы локализации переменных, с помощью которых
Ки (У) получается в удобной для анализа форме. Частотная
характеристика в виде (2.46) целесообразна только для прямых
вычислений в математических пакетах программного обеспечения ЭВМ.
При использовании пакета MathCAD для анализа частотных
характеристик учтите, что все комплексные значения в формулах с (2.46)
по (2.56) должны быть представлены как функции частоты.
g / .г\ _Р'Ук' &з' ^С4 ' * &12 х
[(R3+ZC2)-(ZC4+RH) + ZC4-RH]
1
х—------;----------------- (2.46)
1^56 ’ (^С7 + ^72 ) + &12 ’ ^С1\
Пояснения к формуле (2.46):
- Емкость коллектора:
c;=q.(i+/?),
где Ск ~ 9 пФ - барьерная емкость коллекторного перехода (берется
из справочника по транзисторам). На самом деле Ск является функцией
обратного напряжения коллекторного перехода и в целях упрощения
расчетов здесь взята постоянной.
- Граничная частота транзистора КТ361А ~ 250 МГц (берется
из справочника по транзисторам).
- Постоянная времени пролета основных носителей через базу:
= 1 , • (2-47)
2^-/rp.
70
- Зависимость коэффициента передачи тока базы от частоты:
Л/) =
(2.48)
где /30 - коэффициент передачи тока базы на низкой частоте, т. е.
на частоте близкой к нулю. Определяется по формуле (2.1).
- Емкостные сопротивления конденсаторов:
ZC/(/) = -/•-----177Г- (2-49)
2 • л • J • ц
- Z7 и Z2 - комплексные аналоги R' и R" в формуле (2.16)
Z *
Z;(/)=.Q , ; (2.50)
Z * + Ттг
Ск К
К 4 ' ZC3
^(/)=------------+
У Zc4 • RH R + ZC3
ZC2 + ~ 1 +------------—----------
ZC4 + RH (Rr + Zcr> ’ R12
"!------•--------
+Zc; + Rj2
- Комплексный коэффициент токораспределения коллекторной
цепи:
ук(Л =
z1+z2
(2.52)
Комплексный аналог г5б:
Z,, (/) = ,„+(! + /!/,) гэ
К4 ‘ ZC3
R4 + ZCj
(2.53)
71
АЧХ строится по модулю коэффициента усиления по напряжению:
ки (Л = \ки\ = 7[Im(<)]2 +[Re(<)]2 (2.54)
ЛАЧХ строится по модулю коэффициента усиления в децибелах:
^Д/)дБ = 20-log10 (£„(/)) (2.55)
Фаза коэффициента усиления по напряжению, выраженная в
градусах:
<Р<Л) = arctg
180
л
(2.56)
Формулы, аналогичные (2.46) могут быть получены для ZBX (У),
ZBblx (У) ’ (У) ’ (f) • Примерный вид амплитудно-частотных и
фазо-частотных характеристик усилителя показан на рис. 2.18^2.21.
72
К (J /)|,РЯ5Ы
Рис. 2.18. Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики усилителя.
20*lg K u
i min-1—i i i uni-1 i i i и in-1—i i i uni-1 i i i и in-1—i 11 uni-iiii inn-1—i 11 inn-iiii inn-1—i i nun-1 i i и iiii-1—i i nun
—1 1 1 III 1 IIII 1 IIII 1 IIII m in in hi i—n 1 1 1 1 Hill l~1 II IIII 1 II IIII 1 II IIII 1 1 1 II III 1 1 1 1 Hill IIII 1 1 II III 1 1 1 11 IIII 1 III 1 1 II III 1 1 1 11 IIII 1 III 1 1 II III 1 1 1 11 IIII 1 III ГГ7Т1 1 1 1 1 Hill I III I I I I I Illi I III I I I I I Illi 1 III 1 1 1 1 1 IIII IIII Hill ГП 1 1 1 III II 1 1 1 1 III II 1 1 1 1 Hill 1 ГТТТ 1 11 1 11 1 11 TTTi iiii iiiii 1 i i min 1 i i и i IIII 1 1 1 1 Hill 1 1 1 1 1 IIII 1 IIII IIII 1 1 1 1 Hill 1 1 1 1 1 IIII 1 IIII 777 Hl Hl Hl i min—i~i i 11 ни i i 11 ни i 1 1 1 Hll 1 ГГГТТТ 11 III 11 III 11 III
1 IIII 1 IIII 1 IIII 1 IIII 1 IIII in in III ГТ1 III III 1 1 1 1 1 I I IIII l"-! II Illi I Il nil 1 шт 1 “ и iiii i и iiii i —1 TlTliT ” 7 "I "1 П П|Г " Г 7 ТГ Г-kJ II ill 1 1 1 1 1 IIII 1 ill 1 l"r+_|l 1 1 1 1 1 1 IIII 1 III 1 1 II Hl"--.. 1 1 1 1 1 IIII 1 III “1 T 1Т1ГГ -1 П П II Г T Ti- ll II III 1 РЦНН1 IIII I ill I I I I I nil I ill I I I I I nil i in i i i i i iiii mi ft riTini i in i i i 11 iiii i in i i i 11 iiii 1 1 1 Hill 1 1 1 1 Hill 1 i i i inn i “Fin nm 1 ~ 1 1 1 Hill 1 1 1 1 Hill 1 1 11 1 11 1 11 1 11 1 11 IIII 1 1 1 1 HI fifty f / 1 III IIII 1 1 IIIII 1 III III 1 1 1 1 HI IIII THT 1 “1 -1 Г1П T FIT Hl Hl Hl ni ill ill -Г 1 11 IIII 1 1 1 1 Hll 1 i 11 iiii i in nm —i - 1 1 1 Hll 1 1 1 1 Hll 1 - 11 III 11 III 11 III 11 III 11 III
1 IIII 1 IIII ГТ1 III III 1 1 1П111 1 - II IIII 1 II IIII 1 “1 Т1Т1ГГ - T “1 -1 П nil Г T Ti- ll II III 1 1 1 11 IIII 1 III 1 1 II III 1 1 1 11 IIII 1 III 1111 FT FITinF"—+ 1 III 1 1 1 11 IIII 1 III 1 1 1 11 IIII FLFj-i nm 1 ~ i i i iiiiT--—i_j 1 11 L 1 H tht —i -i -i riniT - т -i т n mi— г т пт ni ill III - г in nm —i - 1 1 1 Hll 1 1 1 1 Hll 1 - 11 III 11 III
1 IIII 1 IIII 1 IIII III ttl — III III 1 1 1 II IIII 1 -11-11+1 —1 - II IIII 1 II IIII 1 1 1 II III 1 1 1 11 IIII 1 III -1 TITIht - + -1 -1 H MH T -! Ti- ll II III 1 1 1 11 IIII 1 III 1 1 II III 1 1 1 11 IIII 1 III 1 III 1 1 1 11 IIII l-HI FT FITIHI 1 III 1 1 1 1 1 IIII 1 III 1 1 1 1 1 IIII 1 1 1 Hill 1 - Fl-I Hltl 1 - 1 1 1 Hill 1 1 1 1 Hill 1 1 11 1 11 1 11 ТТн IIII IIIII 1—1 1 1—i_|_ii tut —1-i-iTiMiT-T-iTi-i ни— ft тт hi hi> Hl - r 1 1 1 Hll 1 in тип —i - 1 1 1 Hll 1 "Т—1—1 1 LII 1 - 11 III 11 III
1 IIII 1 1 1 1 1 1 III 1II1 1 1 II IIII 1 1 1 1 11II 1 1 1 II III 1 1 1 11 IIII 1 III 1 1 1 11 II1 1 1 1 1 1 11II 1 III 1 III 1 1 1 1 1 IIII 11 II1 1 1 1 1 1 11II 1 1 1 Hill 1 1 1 1 11111 1 1 11 IIII 11II 1 1 1 1 11111 1 1 1 1 1 11II 1 IIIII III III 1 11 IIII 1 1 1 1 11II 1 IIIII IIIII
40.000
20.000
0.000
-20.000
-40.000
-60.000
-00.000
-1 ПП ППП____1_1_1 111"1_1_1_1111iii___1111 iii_।_।_11111и_।_।_1111 iii_।_।_11111и_।_।_11 iiiи_।_।_11111и_।_।_11 iiiи_।_। । 1111и_।_।_1111111_।_। । 1111и_।_।_111111
1m 10m 100m 1000m 10 100 1K ЮК 100K 1M ЮМ 100M 1G 10G
fJv
<p(f
градусы
0.000
-1 00.000
-200.000
-300.000
400 0001m 10m 100m 1000m 10 100 1K ЮК 100K 1M ЮМ 100M 1G 10G
Рис. 2.19. Логарифмические амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики усилителя.
Рис. 2.20. Зависимость входного сопротивления усилителя от частоты.
Рис. 2.21. Зависимость входного сопротивления усилителя от частоты.
Контрольные вопросы к лабораторной работе №2
1. Дайте определения и разъясните следующие термины, где
необходимо, поясняя их рисунками:
- Рабочая точка биполярного транзистора;
- линия нагрузки по постоянному току;
- линия нагрузки по переменному току;
- разделительный конденсатор;
- шунтирование;
- полоса пропускания;
- нижняя частота среза;
- верхняя частота среза;
- коэффициент усиления по току, по напряжению, по мощности;
- сдвиг фаз между входным и выходным сигналами;
- входное сопротивление;
- выходное сопротивление;
- амплитудная характеристика;
- амплитудно-частотная характеристика;
- фазо-частотная характеристика;
- ЛАЧХ, ЛФЧХ, АЧХ, ФЧХ;
- усиление сигнала;
- сигнал;
- линейные искажения;
- нелинейные искажения;
- эквивалентное сопротивление;
2. Чем отличаются статический коэффициент усиления транзистора
по току от динамического? Как их найти?
3. На ВАХ задано произвольное положение рабочей точки. Найти
параметры линейной схемы замещения транзистора по переменному
току.
4. На входных и выходных ВАХ указать зоны, при размещении
рабочей точки в которых нелинейные искажения минимальны;
максимальны.
5. Раскройте функциональное назначение каждого элемента,
включенного в схему на рис. 2.7.
6. Нарисуйте по памяти схему замещения транзистора по
переменному току.
7. Нарисуйте по памяти схему замещения транзисторного каскада
(рис. 2.8, 2.9) по переменному току
8. Нарисуйте схему замещения каскада на средних частотах
(рис. 2.12); на нижних частотах (рис. 2.10); на верхних частотах
(рис. 2.11). Дайте пояснения.
77
9. По схеме замещения получите формулы для:
- входного сопротивления;
- выходного сопротивления;
- коэффициента усиления по напряжению;
- коэффициента усиления по току;
- коэффициента усиления по мощности.
10. Сформулируйте 1-й и 2-й законы Кирхгофа, закон Ома, закон
Джоуля-Ленца.
11. Зачем понадобилась коррекция напряжения U кэ с помощью
резистора Rj (см. порядок выполнения работы)?
12. Качественно нарисуйте, а затем проанализируйте перечисленные
в пункте 9 величины в зависимости от частоты. Выделите на графиках
характерные зоны. Где заданные переменные принимают действительные
значения?
13. Как влияет на форму ЛАЧХ увеличение (уменьшение) ёмкостей
конденсаторов: С7; С2 ; С3; С41
78
Литература
1. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев Электроника: Учебное пособие для
приборостроительных специальностей. - 2-е издание, перераб. и доп. -
М.: Высшая школа 1991. - 622с.: ил.
2. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных
схем: изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977.- 671с.: ил.
3. Усилительные устройства: Учебное пособие для ВУЗов / В.А.
Андреев, Г.В. Войшвилло, О.В. Головин и др.; Под ред. О.В. Головина -
М.: Радио и связь, 1993. -322с.: ил.
4. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и
схемы.- М.: Энергоатомиздат, 1990.-288с.: ил.
5. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение
электрических схем по ЕСКД: Справочник.-2-е изд., перераб. и доп. - М.:
Издательство стандартов, 1992. - 316с.
6. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Руководство к
решению задач: Учебное пособие для радиотехнических специальностей
вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш, шк., 2002.-214с.: ил.
7. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы
электротехники. М.-Л., издательство Энергия, 1966,- 522с.: ил.
8. Теоретические основы электротехники. T.I. Основы теории
линейных цепей. Под ред. П. А. Нонкина.
9. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. II. Электричество и
магнетизм. М., 1978г., 480 с.: ил.
10. Лачин В. И., Савёлов Н. С. Электроника.: Учеб. Пособие. 3-е
изд., перераб. и доп.- Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2002.-576 с.
11. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые
приборы: Учебник для вузов/ Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков;
Под ред. В.А. Лабунцова, - М.: Энергоатомиздат, 1990.-576с.:ил.
12. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций.
13. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование в системе
MicroCap 7.
14. Теория автоматического управления. Под ред. А.В. Нетушила.
15. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник
для ВУЗов/Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П.
Глудкина. М.:Горячая линия-Телеком, 1999,-768с.:ил.
79
Содержание
Порядок подготовки, оформления, выполнения и
защиты лабораторных работ.....................................1
Лабораторная работа №1. Исследование способов задания режима покоя
в транзисторных каскадах с общим эмиттером....................3
Вопросы к защите лабораторной работы №1......................35
Лабораторная работа №2. Исследование усилителя звуковой частоты
на основе реостатного каскада с общим эмиттером (ОЭ).........39
Контрольные вопросы к лабораторной работе №2..................77
Литература....................................................79
80