Лабораторна робота №6

ДОСЛІДЖЕННЯ БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ

У РЕЖИМІ ПІДСИЛЕННЯ

Мета роботи: поглиблення і закріплення знань з основ теорії біполярних транзисторів, особливостям їхньої роботи в режимі підсилення, придбання навиків і умінь експериментального використання статичних характеристик для побудови лінії навантаження, динамічної вхідної характеристики й оптимального вибору режиму транзистора при посиленні гармонійних і імпульсних сигналів.

6.1. ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Режим підсилення БТ досягається у разі підключення в коло вихідного електрода (колектора або емітера) навантажувального опору. У даному випадку зміна вхідного сигналу (наприклад, зміна ) автоматично викликає зміну потенціалу на вихідному електроді.

Основні схеми підсилювачів на біполярних транзисторах визначаються можливими способами їх увімкнення – загальна база (ЗБ), загальний емітер (ЗЕ), загальний колектор (ЗК). Базові схеми підсилювачів з допоміжними елементами показано на рисунку 6.1 з наступними позначеннями: – напруга живлення, – вхідна напруга, – вихідна напруга, – опір колекторного навантаження, – емітерний опір, C – роздільний конденсатор, і – опори подільника напруги, який задає режим каскаду за постійним струмом.

Рис. 6.1 Базові підсилювальні каскади на біполярних транзисторах:

а) класична схема з ЗБ; б) схема з ЗБ і подільником напруги;

в) схема з ЗЕ; г) схема з ЗК

Базові каскади характеризуються вхідним і вихідним опорами, коефіцієнтами підсилення струму , напруги і потужності .

В залежності від струму колектора транзистора і величини напруги на електродах транзистора підсилювального каскаду, а також від амплітуди вхідного сигналу розрізнюють наступні режими підсилення: А, В, С, D і проміжні, наприклад АВ.

В режимі А струм у вихідному ланцюзі підсилювача протікає на протязі всього періоду сигналу. Достоїнством цього режиму є мінімум нелінійних спотворень. Його недолік – низький ККД (менш ніж 0,5), тому він використовується найчастіше в каскадах попереднього підсилення, а також в малопотужних вихідних каскадах.

В режимі В струм через транзистор протікає на протязі приблизно половини періоду вхідного сигналу (≈ 180º). Через нелінійність початкових ділянок характеристик транзистора форма вихідного струму при його малих значеннях суттєво відрізняється від форми струму в лінійному режимі. Це призводить до значних нелінійних спотворень вихідного сигналу. Цей режим звичайно використовують в двохтактних вихідних каскадах, які мають великий ККД.

В режимі С струм через транзистор протікає на протязі проміжку часу, який менше половини періоду вхідного сигналу. Струм спокою в режимі С дорівнює нулю. Він використовується в потужних підсилювачах, в яких навантаженням є резонансний контур (наприклад, в радіопередавачах).

Режим D (ключовий) – режим, в якому транзистор може знаходитись тільки в двох станах: або повністю закритий, або повністю відкритий. Такий режим використовують в ключових схемах.

Для аналізу активних елементів у режимі підсилення А широко використовують графоаналітичний метод, заснований на застосуванні вхідних і вихідних статичних характеристик. При цьому розглядають роботу транзистора у статичному та динамічному режимах. Статичний режим враховує тільки постійні складові струмів та напруг на біполярному транзисторі, що забезпечують проходження та підсилення сигналів – змінних, динамічних складових. Динамічний режим використовується для аналізу підсилювальних властивостей транзисторного підсилювача по сигналах.

У схемі з загальним емітером напруга колектора при наявності навантаження у його ланцюзі дорівнює .

Це співвідношення є рівнянням прямої. Графік, побудований з цього рівняння, називають статичною навантажувальною характеристикою (СНХ). На сім’ївихідних характеристик вона будується по двох точках: (., ) і (, ) (рис. 6.2).

За допомогою СНХ вибирають робочу точку біполярного транзистора у статичному режимі (по постійному струму) як точка перетину СНХ з тією або іншою вихідною статичною характеристикою транзистора.

Вхідна характеристика навантаженого транзистора у динамічному режимі відрізняється від статичної, що обумовлено зміною колекторної напруги. Динамічна вхідна характеристика при збільшенні струму бази послідовно перетинає сім’ю статичних характеристик, знятих при . Ця характеристика йде більш круто: при увімкненні навантаження вхідна провідність транзисторів зростає.

У режимі лінійного підсилення робоча точка (тобто та ) вибирається в середині лінійної ділянки.

При виборі робочої точки також потрібно враховувати обмеження пов’язане із недопустимістю перевищення потужності, що виділяється на транзисторі, максимально допустимої потужності. Тому робоча точка повинна бути розміщена поза зоною перевищення максимальної потужності, окресленої пунктирною лінією на рис. 6.2.

Рис. 6.2 Побудова навантажувальних і вхідних динамічних характеристик для схеми увімкнення транзистора з ЗЕ

Наведені на рисунку 6.2 характеристики дозволяють графоаналітичним методом визначити коефіцієнти підсилення по струму і напрузі (відношення амплітуд струму колектора і струму бази і амплітуд напруг і ).

Максимальне значення амплітуди змінної складової колекторного струму обмежується граничним струмом транзистора (), значення якого обумовлюється припустимим зниженням коефіцієнта передачі струму при високих рівнях інжекції.

Максимальне значення амплітуди змінної складової колекторної напруги обмежується максимально припустимою напругою колектора ().

При підсиленні гармонійних і двополярних імпульсних сигналів вихідну робочу точку вибирають у центрі лінійної ділянки. Це забезпечує максимальну амплітуду вихідного сигналу. Якщо схема призначена для підсилення імпульсів позитивної або негативної полярності, то для одержання максимального вихідного сигналу з амплітудою, що дорівнює майже , транзистор повинен знаходитися або в режимі відсічення, або насичення.

При виборі параметрів робочої точки активного елементу треба приймати до уваги залежність його параметрів від температури (зворотній струм переходів, коефіцієнт передачі струму), а також схильність зміні з часом (старіння). Це потребує спеціальних заходів для стабілізації коефіцієнта підсилення і інших параметрів підсилювачів.

В більшості транзисторних підсилювачів для стабілізації положення робочої точки вводять стабілізуючий зворотній зв’язок або використовують методи температурної компенсації.

Якщо необхідно мати стабільний режим за постійним струмом і стабільне підсилення за змінним струмом, вводять достатньо глибокий зворотній зв’язок за рахунок збільшення опору , параллельно якому вмикається конденсатор великої ємності.

В багатокаскадних підсилювачах для стабілізації статичного режиму перевага надається загальному зворотному зв’язку за постійним струмом, який охоплює цілком весь підсилювач.