47

Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

К.С. Артемов, н.Л. Солдатова

Усилительные каскады

на

биполярных транзисторах

Методические указания

Ярославль 2007

УДК 621.375.4

ББК З 844

А 86

Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного издания. План 2007 года

Рецензент

	Артемов К.С., Солдатова Н.Л.
К 78	Усилительные каскады на биполярных транзисторах: методические указания/ К.С. Артемов,Н.Л. Солдатова; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. 45 с.
	ISBN Излагаются основы теории транзисторных усилительных устройств. Включает три лабораторные работы и задание по расчету усилительных каскадов. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 5504 Телекоммуникация и будет полезно также студентам специальности 013800 Радиофизика и электроника, (дисциплина «Основы схемотехники», блок ОПД), очной и заочной форм обучения.

УДК 621.375.4

ББК З 844

© Ярославский государственный университет, 2007 © К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова, 2007

Введение

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 вольт-амперных характеристик Т). К таким элементам в общем случае относятся резисторы в цепях базы (), эмиттера () и коллектора (), а также источники питания постоянного тока (,,). 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 -параметров соответствует эквивалентная схема, делающая расчет каскадов более наглядным.

Для практических расчетов схем на транзисторах нашли широкое применение также эквивалентные схемы, в которые входят физические параметры Т.

а)

б)

Рис. 1. Эквивалентные схемы транзисторов ОБ (а) и ОЭ (б)

На рис. 1 показаны:

• –дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

• –омическое сопротивление базы;

• –дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОБ, – то же для схемы ОЭ (рис. 1,б);

• –статический коэффициент передачи тока эмиттера;

• –статический коэффициент передачи тока базы;

• –коэффициент обратной связи Т по напряжению.

Для схемы ОБ для схемы ОЭ:

Связь между некоторыми параметрами схем ОБ и ОЭ:

; ; .

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(отношение напряжения на выходе к ЭДС генератора или напряжению на входе), току(отношение тока в нагрузке к томку генератора или входному), мощности. Если коэффициент передачи больше единицы, его называют коэффициентом усиления. Коэффициенты передачи выражают в относительных единицах или в логарифмических единицах – децибелах [дБ]:

, , .

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 ,,и содержащая источник сигнала (генератор э.д.с.) с сопротивлениеми нагрузку.

Рис. 2. Эквивалентная схема усилительного каскада

4. Амплитудно-частотная характеристикаусилителя – это зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала (рис. 3а). На рисунке показана область средних частот, гдене зависит от частоты и равен, области низших и высших частот.

а) в)

б) г)

Рис. 3. АЧХ (а), ФЧХ (б), переходная (в) и амплитудная (г) характеристики

Частоты, на которых коэффициент передачи равен , называются граничными – и.

Для области низших частот:– нижняя граничная частота;– циклическая нижняя граничная частота; комплексный коэффициент передачи, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи:

;;,

где – коэффициент передачи по напряжению в области средних частот;– постоянная времени в области нижних частот;– переходная характеристика,– время.

Для области высших частот:

– верхняя граничная частота;– циклическая верхняя граничная частота; комплексный коэффициент передачи по напряжению, его АЧХ и ФЧХ:

;;.

– переходная характеристика.

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.

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 условно принят за единицу (нормирован). Искажение в области малых времен характеризуется временем установления , 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.

.

9. Коэффициент гармоник– корень квадратный из отношения мощностей всех гармоник выходного сигнала (кроме первой) к мощности первой гармоники:

где – мощность n–й гармонической составляющей выходного сигнала;,– амплитуды напряжений и тока n–й гармонической составляющей выходного сигнала.

10. Коэффициенты частотных искажений:

;

.