Исследование транзисторных каскадов усиления переменного тока

Цель работы: Изучение транзисторных каскадов класса усиления, расчет цепей смещения и стабилизации, испытание каскадов и измерение их параметров.

В каскадах усиления сигналов переменного тока для создания заданного режима работы транзистора, характеризующегося коллекторным током I _к и напряжением коллектор-эмиттер U _кэ, применяются разнообразные схемы цепей смещения. Эти цепи необходимы для обеспечения определенных значений I _к и U _кэ и поддерживания этих величин в заданных пределах при изменении параметров транзисторов. Во всех схемах коллекторный ток зависит от величины напряжения питания, от величин сопротивлений в цепи смещения и от температурного изменения параметров транзистора и их технологического разброса. При изменении коллекторного тока изменяется положение рабочей точки, поэтому изменяются дифференциальные параметры транзистора, а следовательно, усилительные свойства каскада. При увеличении коллекторного тока увеличивается мощность, рассеиваемая в транзисторе, а это может привести к перегреву транзистора и его повреждению.

Исходными данными для расчета транзисторных каскадов являются сопротивление нагрузки R _н и максимальная амплитуда синусоидального напряжения на нагрузке U _{н m}. Следовательно, оказывается заданной максимальная мощность в нагрузке и максимальная амплитуда тока I _{н m}. Режим каскада должен быть выбран таким образом, чтобы из всей мощности переменного тока, развиваемой каскадом, возможно большая часть была выделена в сопротивлении нагрузки, подсоединенном к транзистору через конденсатор связи С 2.

Схема каскада приведена на рис. 2.

Постоянная составляющая коллекторного тока I _к протекает только по резистору R 1 (рис. 2). Переменная составляющая коллекторного тока I _{к m} разветвляется по двум цепям: одна – конденсатор связи С 2 и нагрузка, другая – резистор R 1 и источник напряжения питания Е _п. При заданной величине сопротивления нагрузки желательно иметь R 1 максимальным, чтобы в него ответвлялась возможно меньшая часть переменной составляющей коллекторного тока.

Так как заданы величины I _{н m} и U _{н m}, то они и определяют режим транзистора, т.е. постоянные составляющие коллекторного тока I _к и напряжения коллектор-эмиттер U _кэ. Для получения заданных I _{н m} и U _{н m} I _к и U _кэ должны изменяться лишь в заранее предусмотренных пределах при изменении обратного коллекторного тока I _к0 и коэффициента усиления по току транзистора a. Поддержание в заданных пределах величин I _{н m} и U _{н m} необходимо для того, чтобы во всех случаях эти величины были достаточны для получения синусоидального напряжения U _{н m} и тока I _{н m} без искажений. Это достигается соответствующим расчетом цепи смещения, которая обеспечивает требуемый ражим и заданную его стабильность. Схема цепи смещения не определяет схемы включения транзистора по переменному току. Все три схемы включения транзистора – с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором – могут быть осуществлены при неизменном режиме и неизменной схеме цепи смещения. От схемы включения транзистора по переменному току существенно зависят усилительные свойства каскада. При испытании рассчитанного каскада сравниваются свойства его при трех различных схемах включения транзистора.

Необходимо рассчитать цепь смещения транзистора, обеспечивающую требуемый режим работы и заданную стабильность и по результатам расчета смакетированть цепь смещения и проверить результаты расчета экспериментально.

ПОРЯДОК РАСЧЕТА

Исходными данными для расчета служат заданные значения сопротивление нагрузки R _н и максимальная амплитуда напряжения на нагрузке U _{н m}.

Необходимо рассчитать режим работы транзистора и величины сопротивлений резисторов R1, R2, R3 и R4 цепи смещения транзистора.

Напряжение коллектор-эмиттер U _кэ может быть равным нулю, поэтому необходимо, чтобы мгновенное значение напряжения коллектор-эмиттер никогда не было бы меньше величины U _{кэ min}, значение которой обычно выбирается в пределах 1…2 В.

При повышении температуры переходов увеличивается коллекторный ток и уменьшается напряжение коллектор-эмиттер на величину D U _кэ = 1…4 В.

Учитывая эти соображения, постоянную составляющую напряжения коллектор-эмиттер необходимо выбирать следующим образом:

.

Постоянная составляющая коллекторного тока Iк протекает только по резистору R1. Переменная составляющая коллекторного тока I _{к m} разветвляется по двум цепям: часть этого тока протекает по нагрузке, а другая – по резистору R1 в коллекторной цепи, замыкаясь через источник питания. При заданной величине сопротивления нагрузки желательно иметь сопротивление в коллекторной цепи максимально большим, чтобы в это сопротивление ответвлялась возможно меньшая часть переменой составляющей коллекторного тока.

Величина сопротивления R1 и постоянная составляющая коллекторного тока находятся следующим образом:

где Е _п – напряжение питания схемы, 12 В;

U ₂ = (2…5) В – падение напряжения на сопротивлении R2;

I _{к min} – минимально возможная величина мгновенного значения коллекторного тока, 0,6…0,8мА, при меньших токах коллектора сопротивление транзистора значительно возрастает, и переходная характеристика становится существенно нелинейной.

Полученная в результате расчета величина сопротивления резистора R1 должна превышать заданную величину сопротивления нагрузки R_н. В противном случае каскад будет иметь низкий коэффициент усиления по току. Величину сопротивления R1 можно менять, изменяя принятые значения U _кэ, U ₂ и U _{кэ min}.

Получение в каждом каскаде усилителя определенной стабильности коллекторного тока является совершенно необходимым условием. Требования к цепям смещения заключаются в возможности создания коллекторного тока заданной величины и в обеспечении минимального влияния изменения параметров транзистора на полный коллекторный ток. Непосредственно стабильность коллекторного тока определяет величина коэффициента нестабильности S_i, которая показывает существующее в каскаде соотношение между допустимым изменением коллекторного тока D I _к и коэффициента вариаций А, который учитывает возможные отклонения параметров транзистора I _к0 и a от номинальных значений

,

где I _к – постоянная составляющая коллекторного тока;

D I _к = 30 мкА – возможное изменение коллекторного тока из-за нагрева транзистора и технологического разброса;

a = 0,94 – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общей базой;

Da = 0,05 – возможное отклонение коэффициента усиления от номинала из-за нагрева транзистора и разброса параметров.

Величина коэффициента нестабильности определяется по формуле

,

Если в результате расчета получен S_i < 1,5 или S_i > 8, то следует изменить принятые значения величин D U _кэ, U ₂, U _кэ и повторить расчет.

Теперь с учетом режима работы транзистора и стабильности этого режима можно приступить к расчету сопротивлений цепи смещения:

.

где I _к0 = 5 мкА – обратный ток коллектора.

По окончании расчета необходимо предъявить результаты преподавателю.

После проверки расчетов следует подобрать резисторы с требуемой величиной сопротивления (допускается 10%-ное отклонение от расчетной величины) и установить их в соответствующие гнезда стенда. В случае необходимости возможно использование двух резисторов для получения параллельного соединения (для второго резистора соответствующие гнезда во втором ряду).

ПРОВЕРКА РАСЧЕТА УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

В собранном каскаде необходимо проверить режим работы транзистора по постоянному току и сравнить с расчетными данными.