Усилительные каскады на биполярных транзисторах (90
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова Кафедра радиофизики
К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова
Усилительные каскады на биполярных транзисторах
Методические указания
Рекомендовано Научно-методическим советом университета
для студентов, обучающихся по специальностям Радиофизика и электроника, Физика и направлению Телекоммуникации
Ярославль 2007
1
УДК 621.375
ББК З 846я73
А 86
Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2007 года
Рецензент
кафедра радиофизики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова
Артемов, К.С. Усилительные каскады на биполярных
А 86 транзисторах: метод. указания / К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. – 40 с.
В методических указаниях излагаются основы теории транзисторных усилительных устройств. Данные методические указания включают три лабораторные работы и задание по расчету усилительных каскадов.
Предназначены для студентов, обучающихся по направлению 210400 Телекоммуникации и специальностям 010801 Радиофизика и электроника, 010701 Физика (дисциплины «Основы схемотехники», «Аналоговая и цифровая электроника», «Полупроводниковая электроника», блок ОПД, ДС), всех форм обучения.
УДК 621.375
ББК З 846я73
♥Ярославский государственный университет, 2007
♥К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова, 2007
2
Краткая теория
Транзистор (Т) как элемент схемы представляет собой активный трехполюсник, имеющий три внешних электрода: эмиттер, коллектор и базу. В электронных схемах Т используют как четырехполюсник. В зависимости от того, какой из трех электродов транзистора оказывается общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения Т и три схемы усилительных каскадов:
1)схема с общим эмиттером (ОЭ);
2)схема с общей базой (ОБ);
3)схема с общим коллектором (ОК).
При рассмотрении работы Т в усилительных схемах обычно речь идет о работе с малыми сигналами. Сигнал считается малым, если при его изменении в два раза величина измеряемого параметра (например, коэффициента передачи по напряжению) остается неизменной в пределах точности измерения. При этом можно считать характеристики триода (в области перемещения рабочей точки) прямолинейными, а триод может быть представлен эквивалентной схемой, содержащей линейные элементы цепи и источники энергии.
Необходимыми элементами схемы любого каскада являются цепи смещения, определяющие режим работы Т по постоянному току (рабочую точку Т в области линейных участков вольтамперных характеристик Т). К таким элементам в общем случае относятся резисторы в цепях базы ( Rб), эмиттера ( Rэ) и коллектора
( Rк ), а также источники питания постоянного тока ( Ек, Еэ, Еб ). В
конкретных схемах задания рабочей точки используются не все указанные элементы.
Для анализа схем усилительных каскадов применяется хорошо разработанная теория четырехполюсников. Наиболее удобной является система h-параметров, так как при их практическом определении для Т может быть достигнута наибольшая точность. Системе h -параметров соответствует эквивалентная схема, делающая расчет каскадов более наглядным.
3
Для практических расчетов схем на транзисторах нашли широкое применение также эквивалентные схемы, в которые входят физические параметры Т.
|
|
|
|
rк |
|
Э |
rэ |
+μэкUк– |
|
αIэ |
Iк К |
U э |
Iэ |
Iб |
rб |
|
Uк |
|
|
||||
|
|
Б |
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
r |
* |
|
|
|
|
к |
|
|
|
Б |
rб |
βIб |
|
Iк |
|
Iб |
|
К |
|||
|
– |
|
|
|
|
Uб |
|
μ экUк |
|
|
Uк |
|
|
+ |
|
|
|
Iэ rэ
Э
б)
Рис. 1. Эквивалентные схемы транзисторов ОБ (а) и ОЭ (б)
На рис. 1 показаны:
rэ– дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода; rб – омическое сопротивление базы;
rк – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОБ, rк* – то же для схемы ОЭ (рис. 1,б);
α– статический коэффициент передачи тока эмиттера;
β– статический коэффициент передачи тока базы;
μ эк – коэффициент обратной связи Т по напряжению.
4
Для схемы ОБ μ эк = |
|
rб |
, для схемы ОЭ: μ эк = |
|
rэ |
|
. |
r |
+ r |
r |
+ r |
* |
|||
|
б |
к |
|
э |
к |
Связь между некоторыми параметрами схем ОБ и ОЭ:
r |
* = r |
(1 − α ) = |
rк |
; α = |
β |
; β = |
α |
. |
|
|
|||||||
к |
к |
1 + β |
|
1 + β |
|
1 − α |
||
|
|
|
|
В радиоэлектронике находят применение как одиночные каскады, так и многокаскадные усилительные устройства, или просто усилители. Усиливаемыми параметрами являются ток, напряжение или, в конечном итоге, мощность. По роду усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов. Существует деление усилителей на усилители постоянного тока и усилители переменного тока. Классифицируют усилители также по частотным диапазонам (низкой, высокой частоты, широкополосные, избирательные), по назначению и пр.
Усилители характеризуются усилительными, частотными и временными параметрами. Рассмотрим основные параметры.
1. Коэффициент передачи – отношение выходного сигнала к однородному входному: коэффициенты передачи по напряжению KU (отношение напряжения на выходе к ЭДС генератора или на-
пряжению на входе), току KI (отношение тока в нагрузке к току генератора или входному), мощности KP . Если коэффициент
передачи больше единицы, его называют коэффициентом усиления. Коэффициенты передачи выражают в относительных единицах или в логарифмических единицах – децибелах [дБ]:
KU = 20lg(Uвых / Eг) , KI = 20lg(Iн / Iг) , KP = 10lg(Pвых / Pвх) .
2.Входное сопротивление – сопротивление, которое оказывает усилитель действию генератора сигнала, являясь для него нагрузкой.
3.Выходное сопротивление – сопротивление усилителя по отношению к нагрузке, для которой усилитель рассматривается как генератор, т. е. источник сигнала.
На рис. 2 дана схема замещения (эквивалентная схема) усилителя, показывающая параметры KU , Rвх, Rвых и содержащая источник
сигнала (генератор э.д.с.) с сопротивлением RГ и нагрузку RН .
5
RГ |
Iвх |
|
Iвых |
ЕГ |
Uвх |
Rвх Rвых |
Uвых RН |
КUUвх
Рис. 2. Эквивалентная схема усилительного каскада
4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала (рис. 3а). На рисунке показана область средних частот, где | KU | не зависит от частоты и равен KU 0 , области низших и высших
частот.
|
|
|
|
KU |
|
|
|
|
|
K |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
U |
|
|
0,9 |
|
|
|
|
KU 0 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
0,7KU 0 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
t у |
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
|
0 fн |
|
fв f |
|
tU |
|||
|
а) |
|
в) |
|||||
|
|
|
|
|
|
+ ϕ , град
Uвых
f
− ϕ , град
Uвх
б) |
г) |
Рис. 3. АЧХ (а), ФЧХ (б), переходная (в) и амплитудная (г) характеристики
6
Частоты, на которых коэффициент передачи равен KU20 , назы-
ваются граничными – fн и fв.
Для области низших частот: fн – нижняя граничная частота; 2πfн = ωн – циклическая нижняя граничная частота; комплексный
коэффициент передачи, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи KU :
K ( jω ) = |
KU0 |
|
; |
|
K |
( jω ) |
|
= |
KU0 |
|
; ϕ = arctg |
ωн , |
||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||
U |
|
ω |
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
2 |
|
ω |
1 − j |
н |
|
|
ωн |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
ω |
|
|
|
1 + |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
где KU0 – коэффициент передачи по напряжению в области
средних частот; 1/ωн = τ н |
– постоянная времени в области нижних |
|||||
частот; |
К |
U |
(t) = К |
e−t /τ н |
– переходная |
характеристика K , t – |
время. |
|
U0 |
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для области высших частот: |
|
|||||
fв |
– |
верхняя |
граничная частота; |
2πfв = ωв – циклическая |
верхняя граничная частота; комплексный коэффициент передачи по напряжению, его АЧХ и ФЧХ:
KU ( jω ) = |
KU0 |
|
|
; |
|
KU ( jω ) |
|
= |
KU0 |
; ϕ = −arctg |
ω |
. |
|||
|
|
|
|
||||||||||||
1 + j |
ω |
|
|
|
|
ω 2 |
ωв |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
ω |
в |
|
|
|
|
|
|
1 + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωв |
|
|
|
КU (t) = КU0 (1 − e−t /τ в ) – переходная характеристика KU .
5. Фазочастотная характеристика – зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным сигналом (например, между напряжением) от частоты. Пример фазочастотной характеристики показан на рисунке 3, б.
7
6.Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рис. 3, г).
7.Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения при подаче на вход скачка напряжения
(рис. 3, в).
На рисунке показана переходная характеристика. Максимальный коэффициент KU условно принят за единицу
(нормирован). Искажение в области малых времен характеризуется временем установления t у, а искажение в области больших времен
– спадом плоской вершины .
8. Коэффициент нелинейных искажений – корень квадратный отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала, появляющихся из-за нелинейных искажений (нелинейности вольтамперной характеристики усилительного элемента), к полной выходной мощности.
|
P |
+ P |
+ P |
+ ... + P |
I 2 |
+ I 2 + ... + I 2 |
|
|||||
KНИ = |
2 |
3 |
4 |
n |
= |
2m |
|
3m |
nm |
= |
||
P1 |
+ P2 |
+ P3 |
|
I 2 + I 2 |
+ I 2 |
+ ... + I 2 |
||||||
|
+ ... + Pn |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1m |
2m |
|
3m |
nm |
|
|
|
= |
|
|
U22m + U32m + ... + Unm2 |
|
. |
|
|
|||
|
|
|
U12m + U22m + U32m + ... + Unm2 |
|
|
9. Коэффициент гармоник – корень квадратный из отношения мощностей всех гармоник выходного сигнала (кроме первой) к мощности первой гармоники:
|
P + P + P + ... + P |
|
I 2 |
+ I 2 |
+ ... + I 2 |
|
U 2 |
+ U 2 |
+ ... + U 2 |
|||
K Г = |
2 |
3 4 |
n |
= |
2m |
3m |
nm |
= |
|
2m |
3m |
nm |
|
P1 |
|
|
I |
2 |
|
|
U |
2 |
|||
|
|
|
|
|
|
1m |
|
|
|
1m |
где Pn – мощность n–й гармонической составляющей выходного сигнала; Unm , Inm – амплитуды напряжений и тока n–й гармонической составляющей выходного сигнала.
8
10. Коэффициенты частотных искажений:
|
KU 0 |
|
|
|
KU 0 |
|
|
|
|
|
KU 0 |
|
|
|
f |
|
2 |
|||
M Н= |
|
|
|
|
= 20 ln |
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
= |
1 + |
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U 0 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
KU |
|
|
|
|
KU |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fн |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 + ( f / fн )2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M В = KU 0 KU
|
KU 0 |
|
|
||
= 20 ln |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
||
|
|
||||
|
KU |
|
|
|
|
K |
U 0 |
|
|
|
f |
|
2 |
|
|
|
= |
1 + |
|
. |
||
|
KU 0 |
|
|
|||||
|
|
|
|
f В |
|
1 + ( f / f В )2
Описание лабораторной установки
Лицевая панель лабораторного стенда, включающая его упрощенную схему и необходимые вспомогательные элементы, представлена на рис. 4. Любая из исследуемых схем транзисторных усилителей может быть построена подключением к выводам транзистора соответствующих пассивных элементов с помощью переключателей S1– S6 . Лабораторный стенд, помимо исследуемого устройства, включает в себя генератор входного сигнала и мультиметр, позволяющий измерять напряжения в контрольных точках каждого из исследуемых усилителей.
Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и ее значение. Генератор входного сигнала может формировать синусоидальный и треугольный сигналы и периодическую последовательность прямоугольных и пилообразных импульсов. Частота сигнала может дискретно изменяться с помощью соответствующих кнопок, расположенных на лицевой панели лабораторного стенда. Амплитуда сигнала дискретно регулируется с помощью соответствующего аттенюатора. В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам. При этом с помощью соответствующих кнопок управления каждый канал осциллографа может независимо подключаться к любой контрольной точке.
9
Рис. 4. Схема лабораторного стенда
Управление переключателями S1– S6 также осуществляется с помощью кнопок управления, расположенных в нижней части лицевой панели стенда, путем однократного нажатия на кнопку и удержания ее в течение 0,5 с. Текущее положение любого переключателя индицируется зажиганием соответствующего светодиода.
Необходимо отметить, что с целью обеспечения возможности наблюдения влияния инерционных свойств транзистора на соответствующие характеристики различных усилительных каскадов при сравнительно низких частотах входного сигнала, межэлектродные емкости транзистора увеличены в 1000 раз по сравнению с их реальными значениями.
Подключение измерительных приборов для проведения необходимых исследований: двухлучевого осциллографа, осциллографа, вольтметров, фазометра и персональной ЭВМ к лабораторному стенду осуществляется с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда.
10