Исследование схем включения транзисторов

Целью работы является практическое ознакомление с простейшими схемами включения транзисторов – схемой с общим эмиттером, схемой с общим коллектором и схемой с общей базой и с двумя другими, относи-тельно более сложными схемами.

Основные положения. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) изображена на рис. 2.1. Входным электродом является база (точнее, входной сигнал U _вx приложен к переходу эмиттер – база, т. е. U _вx = U _бэ = f_б – f_э, где f_б и f_э – соответственно, потенциалы базы и эмиттера). Рис 2.1.

Выходным электродом является коллектор, т. е. выходное напряжение (U _выx) равно падению напряжения между коллектором и эмиттером (U _кэ):

U _выx = U _кэ = f_к – f_э,

где f_к – потенциал коллектора. Таким образом, эмиттер является «общим электродом» и для U _вx, и для U _выx, чем и объясняется название схемы.

Схема с общим эмиттером усиливает сигнал как по напряжению, так и по току, при этом сигнал приобретает фазовый сдвиг 180º. Более подробно модификации схемы с ОЭ изложены в работах № 3 и 4.

Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) изображена на рис. 2.2. Входным электродом является база транзистора, а выходным – эмиттер. Коллектор накоротко соединен с источником питания, f_к = Е = соnst. Так как коллекторный вывод не используется для выделения переменного сигнала, то коллектор считают «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Сопротивления R _б1 и R _б2 используются в схеме с ОК для подачи на базу постоянного напряжения U _вx = E (R _б2 / (R _б1 + R _б2)). Сопротивление R _э обеспечивает получение переменного выходного сигнала. Конденсаторы С _p1 и С _p2 называются разделительными и обеспечивают «развязку» соседних каскадов по постоянному току.

Схема с общим коллектором работает следующим образом. Входной сигнал приложен к базе, причем f_б = U _бэ + f_э, а выходной сигнал равен f_э = = I _э R _э. Таким образом, U _вx = U _бэ + U _вых. Увеличение U _вx приводит к тому, что p – n -переход эмиттер – база транзистора становится более открытым, I _э растет и увеличивается U _выx = I _э R _э. Вместе с тем, рост I _э вызывает возрастание f_э, транзистор частично закрывается. Изменение потенциалов базы и эмиттера транзистора, таким образом, происходит синхронно, но f_э меняется несколько меньше, чем f_б.

Коэффициент передачи по напряжению К_U у схемы с общим коллектором, как это видно из объяснения ее работы, меньше 1 и равен K_U = U _выx/ U _вx = SR _э/(1 + SR _э) < 1, зато коэффициент передачи по току К_I = I _вых/ I _вх = I _э/ I _б >> 1. Сдвиг фаз в схеме Dj = 0 (так как f_б и f_э меняются синхронно). Поскольку при K_U ≈ 1 Dj = 0 выходной сигнал схемы практически повторяет сигнал на ее входе, то схему с ОК часто называют повторителем, точнее, эмиттерным повторителем (так как выходным электродом является эмиттер).

В электронике широко используется тот факт, что выходное сопротивление схемы с ОК невелико. Когда известно сопротивление нагрузки (на-пример, это кабель с эквивалентным сопротивлением 50 или 75 Ом), то R _э выбирают из соотношения R _э = R _н (условие передачи максимальной мощности в нагрузку). Если нагрузка неизвестна, но не исключено, что R _н может быть малым, выбирают R _э порядка единиц-десятков ом. Рис 2.3

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис. 2.3. Входным электродом является эмиттер (входной сигнал U _вx приложен к переходу эмиттер – база, база по переменному сигналу заземлена). Выходным электродом является коллектор; с учетом того что база по переменному сигналу заземлена, можно считать, что U _выx = f_к, т. е. U _выx≈ равно переменному напряжению между коллектором и базой. База является, таким образом, «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Назначение элементов R _б1, R _б2, С _p1, С _p2 и R _к в схеме с ОБ такое же, как и в схеме с ОЭ. Дополнительным, в сравнении со схемой с ОЭ, элементом является базовая емкость (C _б), которая обеспечивает заземление базы по переменному сигналу.

Схема работает следующим образом. Когда U _вx≈ имеет положительную полярность, f_Э возрастает, в результате чего U _бэ = f_б – f_э снижается и p – n -переход эмиттер – база частично закрывается. Ток I _э уменьшается, в результате уменьшается и ток I _к ≈ I _э, снижается падение напряжения на сопротивлении R _к, а потенциал коллектора f_к = Е – I _к R _к возрастет. Так как f_к≈ ≈ U _выx≈, то при увеличении мгновенного значения U _вx≈ увеличивается и мгновенное значение U _выx≈. При отрицательной полярности U _вx≈ происходят аналогичные процессы.

Входное сопротивление схемы R _вх = R _э׀׀ r _бэ, где r _бэ – эквивалентное сопротивление открытого p – n -перехода эмиттер – база транзистора: оно чрезвычайно мало и обычно не превышает нескольких десятков Ом. Выходное сопротивление R _вых ненагруженной схемы определяется параллельным соединением R _к и эквивалентным сопротивлением r _кэ транзистора, включающим закрытый p – n -перехода коллектор – база, и поэтому велико. Однако если один каскад с общей базой в целях увеличения коэффициента усиления нагрузить на такой же, то выходное сопротивление резко снижается и становится меньшим, чем R _вх. Коэффициент усиления по напряжению

K_U = U _выx≈/ U _вx≈ = (I _к R _к)/[ I _э(R _э׀׀ r _бэ)] ≈ R _к/(R _э׀׀ r _бэ) = R _к/ R _вх.

При каскадном соединении нескольких схем с ОБ низкоомная нагрузка шунтирует R _к и в формулу для K_U вместо этого сопротивления следует подставить значение выходного сопротивления, которое меньше R _вх: получается, что K_U < 1.

Коэффициент передачи по току К_I = I _вых/ I _вх = I _к/ I _э ≈ 1. Фазу сигнала схема с общей базой не меняет.

Кроме трех простейших транзисторных схем часто используют две более сложные: схему с общей базой объединяют со схемой с общим эмитте-ром в единый каскад – так называемую «каскодную» схему (рис. 2.4). Входной сигнал в ней поступает на схему с общим эмиттером.

Транзистор схемы с ОБ включен как бы «вместо» коллекторной нагрузки схемы с ОЭ. Схема обладает малой выходной емкостью, поэтому хорошо работает на высоких частотах. Кроме того, при использовании «каскодной» схемы изменения в значении нагрузки практически не влияют на работу основного усилительного транзистора (на котором собрана схема с ОЭ).

Рис. 2.4 Рис. 2.5

Еще в одной схеме (рис. 2.5) за счет особого соединения транзисторов удается получить большой коэффициент усиления по току: коллекторный ток первого транзистора схемы является для второго транзистора базовым. По фамилии разработчика схема, представленная на рис. 2.5, называется схемой Дарлингтона.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, магазин сопротивлений, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Переключатель на лицевой панели макета позволяет поочередно исследовать различные схемы включения транзисторов.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать схему с общим эмиттером:

а) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения U _вx от 10 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту (f) входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить U _{лин max} – максимальное значение входного сигнала, при котором график АХ не отклоняется от линейного;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…2 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f _гр) схемы, исходя из условия K (f _гр) ≈ 0,7 [max K (f)];

в) измерить значения фазочастотной характеристики, при этом значение f выбрать примерно соответствующим середине полосы усиления;

г) определить входное сопротивление схемы (значение U _вx выбрать таким, чтобы выходной сигнал не имел нелинейных искажений, а f принять в пределах полосы усиления);

д) определить выходное сопротивление схемы (значения U _вx и f выбрать такие же, как и при выполнении п. 2, г).

3. Исследовать схему с общей базой в соответствии с п. 2.

4. Исследовать схему с в соответствии с п 2 (при измерении амплитудной характеристики значение U _вx не должно превышать 5 В).

5. Исследовать каскодную схему (с общим эмиттером – общей базой) в соответствии с п.2.

6. Исследовать схему Дарлингтона в соответствии с п.2.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях АХ, АЧХ, ФЧХ, значений R _вx и R _выx.

2. Исследованные схемы.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–6 (графики АХ, АЧХ, значения U _{лин max} и f _гр, измеренные значения ФЧХ, R _вx, R _выx).

4. Выводы.