ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ
Цель работы: Изучить свойства биполярного транзистора при использовании его в качестве усилительного элемента (УЭ) в схеме резистивного каскада в трёх способах включения:
1. С общим эмиттером (ОЭ);
2. С общей базой (ОБ);
3. С общим коллектором (ОК).
При этом обращается главное внимание на изучение следующих свойств и показателей:
а) способность усиливать мощность сигнала;
б) инвертирование или не инвертирование сигнала;
в) определение количественных значений коэффициентов усиления напряжения К, ЭДС Кe, тока Кi , мощности Кp;
г) количественные – показатели входного Rвх и выходного Rвых сопротивлений;
д) амплитудно-частотные характеристики и количественные значения граничной частоты fгр;
– Ознакомиться с порядком расчёта основных показателей в схеме резистивного каскада при различных способах включения ОЭ, ОБ, ОК.
– Освоить методику измерения качественных показателей усилительного каскада.
– Изучить схемотехнические вопросы построения усилительного каскада на биполярном транзисторе.
Краткое изложение теоретических сведений
2.1. Требуется рассчитать:
1) рассчитать коэффициенты усиления при включении УЭ с ОБ, ОЭ, ОК: К, Ке, Кр, Кi для области средних частот. За среднюю частоту принять частоту fср = 10 кГц;
2) рассчитать входные и выходные сопротивления Rвх и Rвых, эквивалентную входную емкость Свх; рассчитать значения параметров h11э, h11б, h11к, Y22э, Y22б, Y22к;
|
|
|
3) найти граничные частоты fгр.верхн. для трех схем включения УЭ.
Данные для расчета: транзистор 2N3904 (КТ375Б).
Паспортные данные для транзистора:
1. h21эмин = 50;
2. h21эмах = 280;
3. Ск = 5pF;
4. fгр = 250 Мгц;
5. иτк ≤ 300 пс;
6. Rкэ равно от 40 до 60 Ом (в режиме насыщения);
7. Ikо = 7,5мА;
8. Rвых транзистора равно от 15 до 30 кОм (собственное, без учета внешних нагрузок).
9. Внутреннее сопротивление источника сигнала Rг = 1,0 кОм;
10. Сопротивление нагрузочного резистора Rк в коллекторной цепи транзистора Rк = 510 Ом;
11. Сопротивления резисторов делителя в цепи базы для схем с ОЭ и ОБ:
— Rб1 = 101 кОм;
—Rб2 = 15 кОм; (для схемы с ОК – Rб1 = 400 кОм; Rб2 = 150 кОм).
2.2. Пояснения к теоретическим расчетам:
Пример расчета для схемы с ОЭ (вариант Rн = ∞) смотри рис. 1.
Рисунок 1 – Схема с ОЭ
Физическая эквивалентная схема транзистора, представляющая собой электрическую модель транзистора и отражающая его физические свойства – схема Джиаколетто – может быть представлена в следующем виде:
Рисунок 2 – Физическая эквивалентная схема транзистора
1) Определяем среднее значение параметра h21э (коэффициент прямой передачи входной энергии на выход):
2) Определяем значение параметра h11э (входное сопротивление):
|
|
|
где:
– сопротивление базы транзистора, представляющее собой распределенное (объемное) сопротивление участка кристалла, примыкающего к электроду;
– сопротивление эмиттерного перехода;
где φт – температурный потенциал, равный 26 мВ при комнатной температуре.
3) Расчетное значение входного сопротивления усилительного каскада с учетом сопротивлений Rб1 и Rб2 определяется по формуле:
где
4) Определим расчетное значение выходного сопротивления транзистора усилительного каскада.
Значение параметра Y22э (выходная проводимость) составляет:
Выходное сопротивление усилительного каскада по переменному току представляет собой параллельное соединение Rвых транзистора, равное 15 кОм и сопротивления в цепи коллектора Rк = 510 Ом (по известной формуле определить выходное сопротивление усилительного каскада по переменному току)
Определить (для проверки) Rвых каскада по формуле:
5) Определить коэффициент усиления по напряжению К:
где Rн – выходное сопротивление каскада по переменному току Rвых.
6) Коэффициент усиления по току Кi для схемы с ОЭ составляет:
7) Определить величину сквозного коэффициента усиления Ке:
Можно проверить значение Ке по формуле:
|
|
|
8) Определим величину коэффициента усиления по мощности:
Кр = К * Кi
В эквивалентной схеме емкость коллекторного перехода Ск объединяют с емкостью эмиттерного перехода Сб’э:
Свх экв = Сб’э + Ск (1 + Sп Rн),
или,
Свх экв = Сб’э + Ск *К,
где Sп – крутизна характеристики выходного тока по напряжению на эмиттерном переходе, не зависящая от частоты:
Емкость эмиттерного перехода Сб’э:
,
где
9) Определить верхнюю граничную частоту усилительного каскада fв гр:
,
где к = 2…3 – поправочный коэффициент.
Сравниваем это расчетное значение fв гр с данными эксперимента.
Пример расчета для схемы с ОЭ (вариант Rн = 360 Ом) рис.1.
По аналогии с предыдущим расчетом получаем:
h21э, 
, 
, h11э; Rвх (с учетом значений сопротивлений Rб1 и Rб2); Y21э, Y22э
Коэффициент усиления по напряжению К:
,
где Rн – параллельное соединение Rкэ = 15 кОм; Rк = 510 Ом
Коэффициент усиления по току Кi ,как и ранее, составляет:
Кi = h21э
Величина сквозного коэффициента усиления Ке:
Величина коэффициента усиления по мощности: Кр = К * Кi
Определим верхнюю граничную частоту усилительного каскада fв гр:
Свх экв = Сб’э + Ск *К,
Емкость эмиттерного перехода Сб’э
,
где
,
а верхняя граничная частота усилительного каскада fв гр определяется:
|
|
|
,
где к = 2…3 – поправочный коэффициент.
Пример расчета для схемы c ОБ (вариант Rн = ∞)
Рисунок 3 – Принципиальная схема усилителя с ОБ
При анализе используются основные параметры, найденные при предыдущем расчете.
1) Определим статический коэффициент усиления по току для схемы с ОБ:
2) Определим параметр h11б (входное сопротивление транзистора в схеме с ОБ):
Сопротивления Rб1 и Rб2 практически не влияют на величину входного сопротивления. Заносим это значение в табл. 1 для сравнения с экспериментальными данными.
3) Определим (предварительно) параметр h22б (выходную проводимость транзистора в схеме с ОБ:
4) Определим сопротивление эмиттера Rэ исходя из режима транзистора:
— Еп = 30В;
— Iк0 =7,5 мА:
5) Коэффициент усиления усилителя по току Кi составляет:
6) Определим коэффициент усиления по напряжению К:
,
или,
7) Определим значение сквозного коэффициента усиления Ке по формуле:
,
где Rвх – параллельно соединенные сопротивления h11б и Rэ:
8) Определим величину коэффициента усиления по мощности:
Кр = К * Кi
9) Определим собственное выходное сопротивление транзистора для схемы с ОБ:
Расчетная величина параметра Y22б составляет при этом Y22б = 1/Rвых
Учитывая, что найденное значение выходного сопротивления по переменному току включено параллельно с Rк = 510 Ом, фактическое выходное сопротивление каскада будет равно Rвых = 510 Ом.
10) Определим верхнюю граничную частоту усилительного каскада fвгр:
Пример расчета для схемы c ОБ (вариант Rн = 360 Ом)
При расчетах учтем выше приведенные зависимости (формулы), а также
учтем, что по переменному току выходное сопротивление каскада будет представлять параллельное соединение Rвых транзистора, Rк и Rнагр.
Получаем следующие значения параметров для занесения в табл. 1 и
табл. 2: h21б; h22б; Rэ; h11б; Ki; K; Kе; Rвх; Rвых транз; Rвых усилит ; fвгр.
Пример расчета для схемы c ОК (вариант Rн = ∞) рис.4.
Рисунок 4 – Принципиальная схема усилителя с ОК
1) Коэффициент усиления по напряжению К составляет:
2) Определим коэффициент усиления по току Кi:
3) Определим значение Ке по формуле:
4) Определим расчетное значение входного сопротивления усилителя
Так как сопротивления Rб1 и Rб2 для схемы с ОК велики (см. исходные данные), фактическое входное сопротивление усилителя составит найденное выше значение. Заносим это значение в табл. 1 для сравнения с экспериментальными данными.
7) Определим расчетное значение выходного сопротивления транзистора:
8) Определим верхнюю граничную частоту усилительного каскада fв гр:
,
где к = 2…3 - поправочный коэффициент.
Сравниваем это расчетное значение fв гр с данными эксперимента.
Пример расчета для схемы с ОК (вариант Rн = 360 Ом) рис. 4.
При расчетах учтем выше приведенные зависимости (формулы), а также
учтем, что по переменному току выходное сопротивление каскада будет представлять параллельное соединение Rк=510 Ом , и Rнагр = 360 Ом; кроме того по входу необходимо учесть влияние сопротивлений Rб1 и Rб2.
Получить следующие значения параметров для занесения в табл. 1 и табл. 2: Ki; K; Kе; Rвх; Rвых; fвгр.
Общие указания
Для всех трех схем (ОЭ, ОБ, ОК) сопротивления Rб1 и Rб2 по переменному току включены параллельно:
При отключенной внешней нагрузке (Rн =∞) сопротивление нагрузки для транзистора равно Rн′= Rк = 510 Ом
При подключенной внешней нагрузке (Rн = 360 ом) сопротивление нагрузки для транзистора Rн′ по переменному току равно параллельному соединению Rк и Rн:
При обработке результатов экспериментовнеобходимо учитывать следующее:
1) для схемы с общим эмиттером коэффициент усиления по току
где 
2) для схемы с общей базой коэффициент усиления по току
где Iвх и Iвых.
3) для схемы с общим коллектором коэффициент усиления по току
где Iвх и Iвых .
4) входные и выходные сопротивления вычисляются по данным табл.1 экспериментальных данных:
Примечание: при определении Rвых необходимо зафиксировать Uвых при Rнагр = 360 Ом, затем необходимо отключить нагрузку и зафиксировать Uвых при Rнагр = ∞ .
5) чистое, т.е. собственное входное сопротивление усилительного элемента (транзистора) h11э, h11б, h11к (без учета Rб1 и Rб2) определяется:
– для схем с ОЭ и ОК
– для схемы с общей базой h11б = Rвхб
6) выходная проводимость усилительного элемента Y22э, Y22б, Y22к определяется:
Данные для построения логарифмической шкалыпри обработке результатов эксперимента:
L, мм – выбранный размер интервала (1-10);
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 571; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!