Усилитель на биполярном транзисторе

Задание. На вход усилителя на биполярном транзисторе поступает синусоидальное напряжение частотой f = 1000 Гц с амплитудным значением U _вх.m. Для заданной схемы транзисторного усилительного каскада (рис. 7) на семействе выходных ВАХ построить линию нагрузки по постоянному току (ЛНПТ) и временные диаграммы токов, протекающих через все элементы схемы и напряжений на элементах с указанием на графиках их амплитудных значений.

1) 2)

3) 4)

Основные параметры полупроводниковых биполярных транзисторов приведены в справочниках [4, 5, 8] и сведены в табл. 5. Тип биполярного транзистора VT, напряжения источников питания E _ип и смещения, амплитуда входного напряжения U _вх.m и сопротивление нагрузки R _н приведены в табл. 6. Входные и выходные ВАХ биполярных транзисторов приведены в прил. 2.

Методические указания. Перечертить схему усилительного каскада на биполярном транзисторе. Указать тип транзистора VT на схеме и направления протекания токов через все элементы в схеме для обеих полуволн входного синусоидального сигнала. Из справочника [4, 5] перечертить семейство входных и выходных ВАХ заданного транзистора, выписать основные параметры транзистора: I _к.max (А), P _к.max (Вт), U _кэ.max (В), h _21э, I _кб0 (мкА), U _кэ.нас (В).

Таблица 5

Таблица 6

Примечание. В случае отсутствия в справочнике ВАХ для указанного в задании транзистора следует выбрать входные и выходные ВАХ транзистора с максимально близкими по величине основными параметрами: U _кэ.max, I _к.max, P _к.max, h _21э, I _кбо, U _кэ.нас.

Проанализировать работу схемы усиления для положительной и отрицательной полуволн входного синусоидального напряжения. Если в схеме отсутствует источник начального смещения рабочей точки, то необходимо учесть появление искажений синусоидального сигнала.

Используя уравнение линии нагрузки по постоянному току

,

построить её на графике выходных ВАХ. Для этого достаточно двух точек: при I _к = 0, U _кэ = E _ип – первая точка линии; при U _кэ= 0, - вторая точка ЛНПТ. Точка пересечения линии нагрузки с выходной ВАХ, соответствующей постоянной составляющей тока базы I _б0, определит рабочую точку транзистора. Ей будет соответствовать постоянная составляющая тока коллектора I _к0 и постоянная составляющая напряжения коллектор-эмиттер U _кэ0. Постоянная составляющая тока базы в режиме покоя I _б0 определяется по входной ВАХ по заданному напряжению смещения E _см. Так как для транзисторов входные характеристики расположены близко друг от друга, то в качестве рабочей входной ВАХ можно принять одну из статических характеристик, соответствующую активному режиму, например характеристику для напряжения коллектор-эмиттер U _кэ = 5 В. Из графика входной ВАХ найти базовый ток покоя I _б0 соответствующий заданному напряжению смещения U _бэ0 = E _см. При отсутствии источника смещения ток базы покоя равен нулю.

С учётом типа транзистора (n-p-n или p-n-p) для обеих полуволн входного напряжения (один период работы усилителя) построить временные диаграммы напряжений u _вх, u _кэ, u _н и токов i _б, i _н. На полученных диаграммах указать амплитудные значения напряжения и тока. Для расчёта амплитудных значений напряжения и тока следует использовать ВАХ элементов схемы.

Пример решения задачи. В качестве примера решения задачи рассмотрим схему усилительного каскада с транзистором n-p-n типа при отсутствии начального смещения рабочей точки (рис. 8). Исходными данными являются: транзистор KT315, амплитуда входного синусоидального напряжения U _вх.m = 0,6 В, сопротивление нагрузки R _н = 250 Oм и напряжение питания E _ип = 10 В. В соответствии с типом транзистора и способом его включения с схему на рис. 8 показаны направления токов и падений напряжения. Отсутствие начального смещения в цепи базы означает, что будет усиливаться только положительная полуволна входного сигнала, при которой переход база-эмиттер смещается в прямом направлении. Отрицательная полуволна входного сигнала усиливаться не будет, поскольку при обратном смещении коллекторного и эмиттерного переходов транзистор входит в режим отсечки.

На рис. 9, а и б изображены входная и семейство выходных ВАХ транзистора КТ315А. Параметры транзистора: высокочастотный кремниевый эпитаксиально-планарный транзистор малой мощности n-p-n- типа; U _кэ.max = 25 В; I _к.max = 100 мА; P _к.max = 150 мВт; h _21э = 20…90; I _кбо = 1 мкА; U _кэ.нас = 0,4 В; T _к = 373 ^оК.

Построим на семействе выходных ВАХ транзистора (рис. 9, б) ЛНПТ по двум точкам: I _к = 0, U _кэ = E _ип = 10 (В) – первая точка линии; при U _кэ= 0, = 10/250 = 0,04 (A) - вторая точка.

Поскольку смещение рабочей точки отсутствует (нет источника в цепи базы), то ток базы покоя равен нулю I _б0 = 0, и следовательно, ток коллектора покоя тоже близок к нулю I _к0 = 0. Тогда постоянная составляющая напряжения коллектор-эмиттер в режиме покоя U _кэ0 = 10 (В). Рабочая точка «A» транзистора, соответствующая режиму покоя, указана на обеих ВАХ (рис. 9).

На выходной ВАХ выполнено дополнительное построение линии, которая соответствует току базы I _бm(+) = 12 (мкА) при амплитудном значении положительной полуволны входного напряжения. Пересечение этой прямой с ЛНПТ определяет соответствующее амплитудное значение коллекторного тока, а следовательно и тока нагрузки I _кm(+) = I _нm(+)» 1 (мА). На выходной ВАХ этому току соответствует амплитудное значение напряжения U _кэm(+)» 9,5 (В).

По второму закону Кирхгофа рассчитаем амплитудное значение напряжения на нагрузке для положительной полуволны входного сигнала:

.

В течение действия отрицательной полуволны входного сигнала транзистор будет находиться в режиме отсечки, поэтому можно считать, что токи близки к нулю: I _бm(-)» 0, I _кm(-) = I _нm(-)» 0. Т.к. ток нагрузки равен нулю, то напряжение на нагрузке также будет равно нулю U _нm(-)» 0. При этом всё напряжение источника падает на транзисторе: U _кэm(-)» E _ип = 10 (В).

Учитывая, что нагрузка является активной, форма напряжения u _н на нагрузке полностью совпадает с формой тока нагрузки i _н. Амплитудные значения токов и падений напряжений для обеих полуволн входного сигнала нанесены на временные диаграммы работы усилительного каскада (рис. 10).