А.В. Журавлёв, Ю.И. Кузнецов, Л.Г. Прохоров и др. - Практикум по радиофизике (1119799), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Тогда будет обеспечен линейный режим работы тран30зистора для наибольших амплитуд входного сигнала. Это соблюдаетсяпри выполнении условий:Uк-э 0 =EпEпи Iк0 =.22(Rк + Rэ )(5)C учетом соотношений (4) и (2) значение сопротивления Rб выбираетсяравным:EпβEп== 2β(Rк + Rэ ),(6)Iб0Iк0где величина Rк может быть задана или рассчитана, исходя из необхоRб =димого выходного сопротивления усилителя, а Rэ – из входного сопротивления и из коэффициента усиления.6.
Эквивалентная схема транзистораАнализ работы схемы УНЧудобно производить, используя эквивалентную схему биполярноготранзистора (Рис. 5), хорошо описывающую его свойства на низкихчастотах [1, 2, 5]. Будем считать,что задана рабочая точка по постоянному току, вместе с тем присутствуют переменные составляющиетоков эмиттера Ieэ , базы Ieб и коллектора Ieк . Сопротивление эмиттерного перехода rэ по переменнойРис. 5: Эквивалентная схема биполярного транзистора.составляющей называется отношение:eэUrэ = ,Ieэ31(7)eэ – комплексная амплитуда переменной составляющей напряжениягде Uна эмиттерном переходе.
Аналогично (7) определяются и другие внутренние сопротивления, представленные на Рис. 5: тонкого слоя базы rби коллекторного перехода (по переменной составляющей) включенногов обратном направлении rк .Для эмиттерного перехода, смещенного в прямом направлении, величина rэ определяется выражением [1, 2, 5]:rэ =kT,eIeэ(8)где k – постоянная Больцмана, e – заряд электрона, T – абсолютнаятемпература.В маломощных транзисторах емкости переходов можно считать малыми и все внутренние сопротивления действительными. Типичные значения следующие: rэ ∼ 10 Ом (при токах эмиттера Iэ порядка единицмиллиампер), rб ∼ 102 Ом, rк ∼ 104 ÷ 105 Ом.
При этом всегда выполняется соотношение rэ rб rк [1, 2, 5].7. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивленияусилительного каскадаПроведем анализ работы схемы усилителя низкой частоты. Будемсчитать, что внутреннее сопротивление источника питания мало, следовательно, зависимости потенциалов проводников ”Eп ” и ”земля” от частоты будут различаться только на нулевой частоте, на всех других онибудут одинаковы и равны нулю. В связи с тем, что анализ будет проe и токаводиться только для переменных составляющих напряжения Ue упростим исходную схему УНЧ путем соединения эквипотенциальныхI,по переменной составляющей проводников ”Eп ” и ”земля” (см.
Рис. 6.а).Далее, с учетом эквивалентной схемы биполярного транзистора (Рис. 5)схема УНЧ преобразуется к виду Рис. 6.б.32Рис. 6: Эквивалентная схема УНЧ на транзисторе. а) Модифицирование схемы УНЧ при учете только переменных составляющих сигнала. б)Результирующая эквивалентная схема с отображением внутренних сопротивлений транзистора.33Будем рассматривать усилительный каскад схемы с УНЧ – все элементы, представленные на эквивалентной схеме (Рис. 6.б), кроме конденсаторов C1 и C2 (их влияние будет изучено в следующем разделе).Внутренние сопротивления транзистора rб , rэ , rк и переменные составe (в данном разделе) будем считать дейляющие токов Ie и напряжений Uствительными.Для упрощения расчетов будем считать, что всегда выполняютсянеравенства rк Rк , β 1, rэ Rэ rк , rб (β + 1)(rэ + Rэ ),а также пренебрежем шунтирующим действием Rб на входе схемы. Указанные предположения не являются чрезмерными, они выполняются вподавляющем большинстве случаев в реальных схемах с ОЭ [5].Пользуясь эквивалентной схемой и упрощающими предположениямиможно получить выражения для основных параметров усилительногокаскада с ОЭ:входное сопротивлениеRвх =eвхUIeб rб + Ieэ (rэ + Rэ ) Ieб rб + (β + 1)Ieб (rэ + Rэ )===IeбIeбIeб(9)= rб + (β + 1)(rэ + Rэ ) ' βRэ ;выходное сопротивлениеRвых =eвыхU' Rк ;Ieк(10)коэффициент передачи по напряжениюeeee U = Uвых = Iк Rк = β Iб Rк ' Rк .KeвхRэUIeб RвхIeб (βRэ )(11)Как видно из выражений (9) – (11) включение в цепь эмиттера дополниeU .тельного сопротивления Rэ существенно влияет на величину Rвх и KeUБолее того, формула (11) свидетельствует о том, что в этом случае Kпрактически не зависит от таких параметров транзистора, как β, rб , rэ , а34определяется в рассмотренном приближении отношением сопротивленийRк и Rэ .Абсолютное большинство усилителей, использующихся в радиоэлектронике, охвачено кольцом отрицательной обратной связи (ООС)[5, 7].
Вслучае УНЧ на Рис. 3 обратная связь осуществляется через сопротивление Rэ [5, 7]: изменение входного сигнала Uб на базе приводит к тому, чтонапряжение Uэ-б изменяется в обратном направлении, уменьшая входной сигнал. Наличие ООС в усилителях приводит к стабилизации егопараметров и увеличению входного сопротивления. В ряде случаев ООСупрощает замену транзистора, так как снижаются требования к одинаковости его характеристик. Более подробно изучение действия отрицательной обратной связи на свойства усилителей будет в лабораторнойработе №3 ”Операционный усилитель”.8. Частотный диапазон усилителяЧастотные свойства усилителя, собранного по схеме с ОЭ, показаннойна Рис.
3, определяются емкостью ”внешних” конденсаторов, обозначенных на схемах, приведенных выше, как C1 и C2 . Также могут оказыватьвлияние (в случае малости C1 и C2 ) такие параметры транзистора, каквремя преодоления неосновными носителями слоя базы и величина емкости коллекторного перехода (включенного в обратном направлении).Влияние последних факторов в настоящей работе будет мало и рассматриваться не будет.Конденсатор C1 образует вместе с сопротивлением Rвх дифференцирующую RC-цепочку, ограничивающую частотный диапазон усилителяснизу.
Как известно (см. лабораторную работу №1 ”RC-цепи”), нижняячастота этой схемы будет определяться выражением:fн =1,2πRвх C135(12)где входное сопротивление рассчитывается по формуле (9).Верхнюю частоту усилителя ограничивают конденсатором C2 , который вместе с сопротивлением Rк образует интегрирующую RC-цепочку.Верхняя частота задаётся соотношением:fв =1.2πRк C2(13)Наименьшее влияние ограничивающих диапазон усиления упомянутых RC цепей будет на средней геометрической частоте:pf0 = fв fн .(14)9.
Практическая часть9.1. Расчет однокаскадного усилителя напряжения на биполярном транзисторе по заданным параметрамПриняв за основу схему, представленную на Рис. 3, рассчитайте свойвариант с учетом заданных параметров. Набор задаваемых параметровe U |,включает: модуль коэффициента усиления по напряжению KU = |Kграницы диапазона частот fн и fв , выходное сопротивление усилителяRвых , а также напряжение источника питания Eп .Известными параметрами транзистора будем считать значения коэффициента усиления по току β при двух значениях постоянного токаколлектора (Iк0 =1 мА и 5 мА).
Эти значения можно померить с помощью мультиметра (в котором есть соответствующий режим) или взятьиз справочника.1. Расчет начинаем с выходных параметров усилителя. Транзисторбудет работать в линейном режиме лишь для ограниченных амплитудeвых при данном напряжении питания Eп . Рассчивыходного сигнала Uтайте верхнюю границу модуля данной амплитуды Uмакс по формуле:Uмакс =Eп − 1 [В].236(15)(Величина 1 [В] в выражении (15) складывается из напряжения насыщения транзистора Uк-э нас и небольшого падения напряжения на сопротивлении Rэ .)2.
Определяем режим работы по постоянному току – выбираем рабочую точку в середине нагрузочной прямой. Рассчитываем постоянныйток коллектора Iк0 :Iк0 =Eп.2(Rк + Rэ )(16)3. Корректируем величину β в рабочей точке (для рассчитанного поформуле (16) тока Iк0 ) методом линейной интерполяции. При корректировке предполагается, что зависимость β(Iк0 ) является линейной возрастающей функцией, проходящей через известные значения β при токахколлектора 1 мА и 5 мА.4.
Рассчитываем Rб :Rб = 2βRк .5. Рассчитываем Rэ :Rэ =Rк,KU(17)(18)6. По заданным границам рабочего диапазона частот fн и fв рассчитываем величины ёмкостей конденсаторов C1 и C2 по формулам (12) и(13).9.2. Наладка схемы и методика измеренийПорядок действий.1. Проверьте номиналы полученных радиодеталей по их маркировке.При возникновении сомнений, проведите измерения на мультиметре илиизмерителе емкостей. Узнайте у лаборанта или преподавателя расположение выводов транзистора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
