4. Содержание отчёта

4.1. Схемы и результаты экспериментальных исследований.

4.2. Справочные данные о параметрах рабочих режимов и предельно допустимых режимах эксплуатации исследованных транзисторов.

4.3. Расчёт теоретических значений дифференциальных параметров транзистора при измеренном в процессе эксперимента значении коэффициента передачи тока базы (дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, входное сопротивление в схеме с общим эмиттером, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, дифференциальное сопротивление коллектор-эмиттер) в типовом режиме [2, с. 32-38], [4, раздел 8], [5, c. 26-38] и сравнение их с измеренными значениями и данными, взятыми из справочника.

4.4. Объяснение полученных результатов.

Транзисторные каскады. Выбор и настройка режима покоя. Оценка температурной стабильности

1. Цель лабораторной работы

Приобрести навыки настройки, экспериментального исследования и количественной оценки температурной стабильности режима покоя базовых схем транзисторных каскадов.

После выполнения лабораторной работы студент должен иметь представление о возможных режимах работы простейших каскадов на полевых и биполярных транзисторах, уметь собирать схемы на рабочем поле монитора программного комплекса EWB, знать основы методики подготовки схем к экспериментальным исследованиям в виртуальной электронной лаборатории, иметь навыки настройки и моделирования базовых транзисторных схем.

2. Содержание работы

В электронике используется принцип деления сложных схем электронных устройств на элементарные составные части – каскады. В простейшем случае схема каскада может состоять из одного транзистора и элементов, обеспечивающих необходимый режим его работы. В лаборатории исследуются схемы (рис. 7 и рис. 8) усилительных каскадов с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) на биполярных транзисторах, а также общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС) на полевых транзисторах. В этих схемах режим покоя задаётся с помощью напряжений база-эмиттер или затвор-исток, называемых напряжениями смещения. Напряжение смещения определяется величиной сопротивлений в цепях базы или затвора и сопротивлений в цепях эмиттера или истока транзистора. Эти цепи называют цепями смещения. Требования к режиму покоя усилительного каскада, выбор режима покоя, методики расчёта цепей смещения и моделирования схем описаны в учебных пособиях [3, раздел 3], [7; с. 29-45],.

Простейшая схема транзисторного каскада с ОЭ (рис. 7,а) в усилителях применяется редко, так как обладает плохой температурной стабильностью, чувствительна к разбросу параметров транзисторов и вносит большие нелинейные искажения. При малом уровне амплитуды входного напряжения U_mбэ<φ_Т, нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник

Кг≈U_mбэ/mφ_Т. (1)

В этой формуле поправочным коэффициентом m≈(1…2) учитываются специфические особенности конструкции и технологии изготовления транзистора. Температурный потенциал полупроводника φ_Т при температуре 25 градусов по Цельсию примерно равен 25 мВ. Простейшая схема каскада с общим истоком (рис. 7,б) из-за действия последовательной отрицательной обратной связи по току истока обладает меньшими нелинейными искажениями и лучшей температурной стабильностью, но очень чувствительна к разбросу параметров полевых транзисторов. Разброс начального тока стока и напряжения отсечки полевых транзисторов может превышать (300-500)%. Эти простейшие схемы каскадов исследуются в лабораторной работе, так как их явно выраженные недостатки позволяют наглядно оценить преимущества более совершенных схем. В схеме на рис. 7,в улучшение параметров достигается за счёт последовательной отрицательной обратной связи по току эмиттера, а в схеме на рис. 7,г – за счёт возможности применения более глубокой обратной связи, так как при положительном потенциале затвора можно увеличить сопротивление обратной связи в цепи истока.

Рис. 7. Схемы простейших усилительных каскадов с общим эмиттером и общим истоком

Глубину отрицательной обратной связи принято оценивать коэффициентом F, который для этих схем можно вычислить по формулам:

F=1+R_Э/r_Э≈1+R_ЭI_ПЭ/mφ_Т; (2)

F=1+S_ПR_И, (3)

где I_ПЭ – ток эмиттера биполярного транзистора в режиме покоя,

r_Э≈mφ_Т/I_ПЭ – сопротивление эмиттерного перехода,

S_П=2I_С.НАЧ(U_ЗИ.ОТС – U_П.ЗИ)/U²_ЗИ.ОТС – крутизна полевого транзистора в режиме покоя, зависящая от начального тока стока транзистора I_С.НАЧ, напряжения отсечки U_ЗИ.ОТС транзистора и напряжения затвор-исток U_П.ЗИ в режиме покоя.

Если усилительный каскад должен работать при изменении температуры в широких пределах или к стабильности его режима покоя предъявляются жёсткие требования, в делитель цепи смещения вводят элемент (транзистор VT2 в схеме на рис. 8,а), компенсирующий зависимость свойств эмиттерного перехода основного транзистора VT1 от температуры.

На рис. 8,б и рис. 8,в показаны схемы простейших каскадов с общим коллектором и общим стоком. Эти схемы способны усиливать ток и мощность сигнала при коэффициенте передачи напряжения, мало отличающемся от единицы. Поэтому их называют схемами эмиттерного и истокового повторителей. Повторители напряжения за счёт очень глубокой отрицательной обратной связи имеют хорошую температурную стабильность и способны вносить малые нелинейные искажения.

Рис. 8. Схема усилительного каскада с температурной компенсацией и схемы повторителей напряжения

Чтобы выбрать режим покоя усилительного каскада, необходимо знать требования к параметрам усилителя, условия, в которых будет работать каскад, и параметры транзистора. Если усилительный каскад должен работать в режиме класса А и обеспечивать на выходе максимально возможную амплитуду напряжения и тока, напряжение коллектор-эмиттер U_П.КЭ или напряжение сток-исток U_П.СИ в режиме покоя должны составлять примерно половину напряжения источника питания U_П. При выборе режима покоя, соответствующего допустимому положению рабочей точки на статических ВАХ транзистора, необходимо, чтобы средняя мощность P_О=U_ПI_П, рассеиваемая на транзисторе, и мгновенные значения токов и напряжений на транзисторе не превышали значений P_О.MAX, I_OMAX, U_OMAX, максимально допустимых для используемого транзистора. Суммарное сопротивление, ограничивающее постоянный ток в цепи коллектора (стока) r₌=R_К+R_Э (r₌=R_С+R_И), следует выбирать с учётом неравенства r₌<U_П/I_OMAX.

Чтобы ток базы не оказывал существенного влияния на температурную стабильность режима покоя каскада, ток делителя цепи смещения I_ДЕЛ=U_П/R_ДЕЛ=U_П/(R_Б1 + R_Б2) целесообразно брать в 3-5 раз больше тока базы транзистора, состоящего из обратного тока коллекторного перехода I_КО и части тока эмиттерного перехода I_ПЭ/(1+B). При расчёте тока базы следует ориентироваться на наихудший случай, когда температура максимальна, а коэффициент передачи тока базы транзистора минимален (B=В_MIN). Падение напряжения U_П.БЭ≈I_ДЕЛR_Б2 задаёт режим работы эмиттерного перехода в режиме покоя. При предварительном расчёте можно положить, что в режиме покоя напряжение база-эмиттер кремниевого транзистора U_П.БЭ≈0,7 В.

При расчёте схемы каскада с цепью температурной стабилизации в цепи эмиттера (рис. 7,в) потенциал базы в режиме покоя складывается из падения напряжения на сопротивлении эмиттера и падения напряжения на эмиттерном переходе:

U_П≈I_ДЕЛR_Б2≈I_П.ЭR_Э+U_П.БЭ. (4)

Ток затвора полевых транзисторов пренебрежительно мал. Поэтому в делителе цепи затвора обычно используют сопротивления в интервале от 100 кОм до 1 МОм. При предварительном расчёте каскада можно предположить, что напряжение затвор-исток в режиме покоя

U_П.ЗИ=I_ДЕЛR_З2 – I_ПИR_И≈0,5U_ЗИ.ОТС. (5)

Более подробно методика расчёта цепей смещения описана в учебном пособии [7, c. 33-45].