3. Расчетно-графическая работа.
Графо-аналитический расчет однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе. 3.1. Краткие теоретические сведения.
Транзисторы это приборы, имеющие 3 вывода и предназначенные для усиления и переключения электрических сигналов. По принципу работы они разделяются на биполярные и полевые. Биполярный транзистор по структуре аналогичен двум встречно включенным диодам, имеющим один общий p или n слой. Соответственно различают транзисторы p-n-p и n-p-n типов.
На рисунках 3.4а и 3.4б представлены транзисторы типов p-n-p и n-p-n и их эквивалентные диодные схемы.
а) б)
Рис.3.4
Рабочие свойства транзистора практически не зависят от типа, разница лишь в полярности подаваемых напряжений.
Вывод, связанный с общим слоем, называется базой (Б). Два других: эмиттер (Э) и коллектор (К).
Основная схема включения транзистора (Рис.3.5) называется с общим эмиттером (ОЭ).
Согласно I закону Кирхгофа .
Особенность биполярного транзистора состоит в том, что такой транзистор управляется током и его коллекторный ток кратен току базы:
IК = b×IБ
где b= =const - коэффициент усиления по току, достигающий десятки и сотни единиц.
Рис.3.5
Биполярный транзистор имеет 2 семейства вольтамперных характеристик.
Входные характеристики это зависимость IБ= f(UБЭ) при различных значениях напряжения UКЭ (например, Рис.1.6).
Выходные характеристики это зависимость IК = f(UКЭ) при различных значениях напряжения IБ (например, Рис.3.7). Все характеристики имеют пологий участок, на котором IК мало зависит от UКЭ - это рабочий участок характеристик.
Если принять транзистор в качестве четырехполюсника (любая электрическая схема с четырьмя зажимами, например на рис.3.5) и считать UКЭ и IБ величинами независимыми, то можно составить два уравнения, описывающие транзистор:
где коэффициенты называются h-параметрами транзистора.
Рис.3.6 Рис.3.7
Все они могут быть получены по характеристикам транзистора и имеют определенный физический смысл:
- , при UКЭ -const;
- , коэффициент связи по
напряжению, при IБ -const;
- , коэффициент усиления по
току, при UКЭ -const;
- , при IБ -const.
Основные предельные эксплуатационные данные и h-параметры биполярного транзистора представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
UКЭ, макс
[В]
|
IК, макс
[А]
|
PК,макс
[Вт]
|
h 11Э
[Ом]
|
h21Э
|
h22Э
[См]
|
10-1000
|
0,1-10
|
0,1-100
|
10-100
|
20-100
|
10-3-10-7
|
На основе этих данных и условий работы транзистора:
, ,
можно определить рабочую область для транзистора (Рис.3.8).
Рис.3.8
Усилитель это устройство, осуществляющее однозначное и непрерывное преобразование электрических сигналов малой величины в сигналы значительно-большие по величине. Усилители широко применяются при измерении электрических и неэлектрических величин, при контроле и автоматизации технологических процессов и т.д.
Любой усилитель, структурная схема которого изображена на рисунке 3.9, имеет входную и выходную цепи, к которым подключается источник сигнала EГ, нагрузочное устройство RН, источник питания ИП и усилительный элемент УЭ (транзистор, микросхема). Процесс усиления связан с преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала усилителя.
Рис.3.9
Основные характеристики усилителей
1 Коэффициент усиления
Коэффициент усиления по напряжению К, в общем случае является комплексной величиной, т.к. входные и выходные сигналы переменные. На практике часто используют К в виде отношения модулей (амплитуды, действующих значений) выходного и входного сигналов .
2 Амплитудная характеристика
Эта характеристика (Рис.3.10) определяет зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от изменения амплитуды напряжения на входе Um.вых = f(Um.вх). Линейный участок аб соответствует пропорциональной зависимости этих напряжений, которые связаны между собой коэффициентом усиления усилителя К, постоянным на этом участке. Участок аб является рабочим участком усилителей. Участок амплитудной характеристики выше точки б является нелинейным и не используется при работе усилителей.
Рис.3.10
3 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)
Эта характеристика усилителя отражает зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты входного сигнала f. На рисунке 3.11 приведена, наиболее часто встречающаяся, АЧХ. На ней можно выделить рабочую область усилителя, лежащую между верхней fвг и нижней fнг граничными частотами усилителя, в которой коэффициент усиления усилителя К постоянен.
Обычно измеряют ,
где К0 - коэффициент усиления на средних частотах.
Область частот Df = fвг - fнг называется полосой пропускания усилителя.
У большинства усилителей Df = (105 - 107)Гц и поэтому они называются широкополосными.
Рис.3.11
Усилитель с общим эмиттером (УОЭ Рис.3.12)
Этот тип усилителя является наиболее используемым, на основе которого строятся усилители более сложные и различного назначения.
Рис.3.12
Усилитель включает в себя все элементы структурной схемы (Рис.3.9):
- источник питания EП;
- усилительный элемент в виде n-p-n транзистора VT;
- коллекторный и базовый резисторы RК и RБ;
- входная цепь с источником сигнала EГ и конденсатором связи CС1;
- выходная цепь с конденсатором связи CС2 и нагрузочным устройством RН.
Резисторы RБ и RК задают режим работы усилительного элемента VT по постоянному току. Конденсаторы связи CС1 и CС2 исключают протекание постоянного тока от EГ и RН тем самым обеспечивают независимый режим работы по постоянному току усилительного элемента.
Принцип работы усилителя с общим эмиттером
Для объяснения принципа действия такого усилителя воспользуемся временными диаграммами (Рис.3.13).
Рис.3.13
Пусть напряжение на входе усилителя возрастет на величину Duвх. Тогда это приведет к увеличению напряжения uБЭ, входного тока iБ и тока коллектора транзистора
iК = b×iБ.
Сопротивление коллекторно-эмиттерного перехода транзистора падает и согласно закону Ома уменьшается напряжение uКЭ = uвых. Поэтому можно записать с помощью условной диаграммы
Duвх ® DuБЭ ® DiБ ® DiК ® DuКЭ¯ ® Duвых¯ ,
где знак означает: - величина возрастает, ¯ - величина уменьшается.
Если входное напряжение будет изменяться по синусоидальному закону uвх = Umsinwt,
то и выходное напряжение также имеет синусоидальною форму (Рис.3.13) uвых = Umsin(wt + 180°)
Таким образом, усилитель с общим эмиттером изменяет фазу входного сигнала на 180°.
Достарыңызбен бөлісу: | 
