Работа биполярного транзистора в режиме усиления гармонического сигнала (квазистатический режим)

Министерство Образования  Российской Федерации

Уфимский Государственный  Авиационный Технический Университет

 

 

Расчетно-графическая работа

 

По предмету «Электроника».

 

тема:«Работа биполярного  транзистора в режиме усиления гармонического сигнала (квазистатический режим)».

Вариант 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа-2012.

 

 

Схемы включения биполярных транзисторов

 
Существует три основные схемы  включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Такая схема изображена на рисунке 1. Данная схема является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности.

 
Рис. 1 Схема включения транзистора  с общим эмиттером

 
Услительные свойства транзистора  характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току β. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (R_к = 0). Численно он равен:

 
при U_к-э = const

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент k_i всегда меньше, чем β, т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления каскада  по напряжению k_u равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение u_б-э, а выходным - переменное напряжение на коллекторе, или что то же самое, напряжение коллектор-эмиттер. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное достигает единиц и десятков вольт (при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника E₂). Отсюда вытекает, что коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.

Важной характеристикой является входное сопротивление R_вх, которое определяется по закону Ома:

и составляет обычно от сотен  Ом до единиц килоом. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком. Важно также отметить, что каскад по схеме ОЭ переворачивает фазу напряжения на 180°.

К достоинствам схемы  ОЭ можно отнести удобство питания  ее от одного источника, поскольку на базу и коллектор подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам относят худшие частотные и температурные свойства (например, в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.

Схема с общей базой (ОБ. Схема ОБ изображена на рисунке 2.

 
Рис. 2 Схема включения транзистора  с общей базой

 
Такая схема включения не дает значительного  усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ. 
Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше единицы:

 
т. к. ток коллектора всегда лишь немного  меньше тока эмиттера.

 
Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается α и определяется:

 
при u_к-б = const

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем  лучше транзистор. Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ. Входное  сопротивление схемы ОБ в десятки  раз ниже, чем в схеме ОЭ.

Для схемы ОБ фазовый  сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема  ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ.

Схема с общим  коллектором (ОК). Схема включения с общим коллектором показана на рисунке 3. Такая схема чаще называется эмиттерным повторителем.

 
Рис. 3 Схема включения транзистора  с общим коллектором

 
Особенность этой схемы в том, что  входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k_i, т. е. нескольким десяткам.

В схеме ОК фазовый  сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает с входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Входное сопротивление  схемы ОК довольно высокое (десятки  килоом), а выходное - сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы.

 

Режимы работы усилительных каскадов

 

Режим класса А, соответствующий колебаниям тока анода лампы (тока коллектора в случае биполярного транзистора, тока стока — в случае полевого) без отсечки, то есть без прекращения протекания тока в продолжение всего периода входного сигнала. Ток покоя, то есть постоянный ток при отсутствии входного сигнала, должен быть при этом не меньше максимальной амплитуды переменной составляющей тока.

Режим класса В, когда ток через усилительный элемент идет в течение половины периода входного сигнала, то есть отсечка тока равна 90°. В течение второй половины периода усилительный элемент полностью закрыт и ток через него не идет. Ток покоя равен нулю.

Режим класса АВ, который является промежуточным между двумя предыдущими режимами: время протекания тока больше, чем полпериода, но меньше, чем полный период входного сигнала. Ток покоя, соответственно, меньше максимальной амплитуды переменной составляющей тока.

Режим класса С, когда ток через усилительный элемент идет в течение менее половины периода входного сигнала, то есть отсечка тока меньше 90°. В течение второй половины периода усилительный элемент полностью закрыт и ток через него не идет. Ток покоя равен нулю.

Режим класса Д, когда усилительный элемент работает в ключевом режиме, то есть, либо полностью открыт, либо полностью закрыт.

 

Работа биполярного  транзистора в режиме усиления гармонического сигнала (квазистатический режим)

1 Исходные данные по варианту 12

Наименование	Обозн.	Ед. изм.	Значение
Марка транзистора
Напряжение  источника питания		В
Сопротивление коллектора		кОм
Постоянная  составляющая тока базы		мА
Входной переменный ток		мА
Постоянная  составляющая напряжения базы		В
Входное переменное напряжение		В

 

2 Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 – Схема включения транзистора

Построим график входной характеристики транзистора

Наименьший ток базы

мА.

Наибольший ток базы

мА.

Наименьшее напряжение на базе

В.

Наибольшее напряжение на базе

В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По графику входной характеристики находим:

Постоянная составляющая напряжения базы

В.

Разделив период синусоидального  колебания на 12 частей, составим таблицу тока базы.

Таблица 2.1 – Зависимость тока базы от фазы входного напряжения

φ, °	, мА

Для данных значений тока базы построим выходные характеристики. На пересечении  линии режима с выходными характеристиками найдём соответствующие значения напряжения на коллекторе и токи коллектора, которые занесём в таблицу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.2 –  Зависимость тока коллектора от фазы входного напряжения

φ, °	, мА	, В	, мА

На основании полученной таблицы  построим графики тока базы и напряжения на коллекторе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Постоянная составляющая напряжения коллектора

В.

Наибольшее напряжение на коллекторе

В.

Наименьшее напряжение на коллекторе

В.

Постоянная составляющая тока коллектора

мА.

Наибольший ток коллектора

мА.

Наименьший ток коллектора

мА.

Коэффициент усиления по току

.

Коэффициент усиления по напряжению

.

Коэффициент усиления по мощности

.

Входное сопротивление

кОм.

Полная потребляемая мощность в  коллекторной цепи

мВт.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе

мВт.

Коэффициент полезного действия коллекторной цепи

.

Сопротивление 2 в цепи смещения базы

кОм.

Сопротивление 1 в цепи смещения базы

кОм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение h-параметров транзистора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.6 – Эквивалентная схема включения транзистора