Параметры биполярного транзистора, определяющие работу линейного усилителя на основе математических моделей и экспериментальных измерений. Амплитудная характеристика работы усилителя низкой частоты. Расчет и экспериментальная проверка рабочей точки.
Аннотация к работе
Цель работы: изучение и исследование основных параметров биполярного транзистора, определяющих работу линейного усилителя на основе математических моделей и экспериментальных измерений. транзистор биполярный усилитель линейный Транзистор П306А - полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигнала. р-п-р-транзистор и его диодная эквивалентная схема В зависимости от того, присоединен ли эмиттер, коллектор или база к общей точке, различают соответственно схемы с общим эмиттером, коллектором или базой. Емкость выбирается так, что бы за время прохождения сигнала напряжение не изменялось.
Введение
Цель работы: изучение и исследование основных параметров биполярного транзистора, определяющих работу линейного усилителя на основе математических моделей и экспериментальных измерений. транзистор биполярный усилитель линейный
1. Исходные данные и значения параметров усилителя
Объект исследования: биполярный транзистор П306А с p-n-p переходом и линейный усилитель низкой частоты на его основе.
Транзистор П306А - полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигнала.
р-п-р- транзистор и его диодная эквивалентная схема
Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим п или р- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой В. Два других электрода называются эмиттером Е и коллектором С. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор в обратном. Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рисунке:
Полярность включения р-п-р- транзистора
Основная особенность транзистора состоит в том, что коллекторный ток Ic является кратным базовому току Ів. Их отношение B = Ic/ Ів называют коэффициентом усиления по току.
Исходные данные:
2. Принципиальная схема усилителя
Имеются три основные схемы включения транзистора в усилительные цепи. В зависимости от того, присоединен ли эмиттер, коллектор или база к общей точке, различают соответственно схемы с общим эмиттером, коллектором или базой. Исследуется схема с общим эмиттером.
- выходное напряжение
- выходной ток
- входное напряжение
- выходное напряжения
- коллекторное сопротивление, используется для получения выходного напряжения
- сопротивление, с помощью которого реализуется схема с отрицательной обратной связью. Схема вводиться для уменьшения нелинейных искажений. Вследствие отрицательной обратной связи по току выходное сопротивление растет незначительно и стремится (в случае глубокой отрицательной обратной связи) к Rc.
- сопротивления, с помощью которых устанавливается рабочая точка (представляет собой делитель напряжения).
- разделительные емкости. Емкость выбирается так, что бы за время прохождения сигнала напряжение не изменялось.
- конденсатор, шунтирующий переменное напряжение в требуемой области частот (определяет “глубину” отрицательной обратной связи по переменному напряжению).
Емкости ограничивают влияние обратной связи на переменном сигнале.
Линейный усилитель - устройство, в котором осуществляется увеличение амплитуды сигнала низкой частоты за счет энергии вспомогательного источника.
Принцип действия: Пусть приложено такое входное напряжение Ue»0,6В, чтобы мог протекать коллекторный ток порядка миллиампер.
Схема с общим эмиттером
Упрощенное изображение
Коэффициент усиления по напряжению: A = DUA/DUE = -S(Rc || RCE)
Входное сопротивление RE = RBE;
Выходное сопротивление ra = Rc || RCE.
Если входное напряжение повысить на небольшую величину DUE, то коллекторный ток увеличится. Поскольку выходные характеристики проходят почти горизонтально, можно сделать допущение о том, что ток Ic зависит только от UBE , но не зависит от UCE . Тогда увеличение Ic составит: ?IC ? S·?UBE = S·?UE
Так как коллекторный ток источника напряжения протекает через сопротивление Rc, то падение напряжения на Rc тоже повышается и выходное напряжение Ua возрастает на величину: ?UA = - ?IC·Rc ? -S·Rc ·?UE
Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению: A = ?UA/?UE ? -S·Rc
3. Расчет положения рабочей точки
Расчет сопротивлений, обеспечивающих положение рабочей точки
Учитывая, что получаем:
Для используемых транзисторов типичное значение , следовательно получаем:
Ток делителя вычисляется из условия , отсюда
, тогда:
Получаем:
Входное сопротивление по переменному току составляет
, где
Для коллекторного тока 10 МА сопротивление RCE»15 КОМ. Тогда найдем коэффициент усиления по напряжению для ненагруженного каскада
, где
Таким образом, усиление э.д.с. генератора сигнала при RL = 10 КОМ составит
Это значение должно сохраняться до нижней частоты fмин = 20 Гц. Поскольку схема содержит три фильтра верхних частот, то нужно выбрать частоты среза fg этих фильтров в пределах до fмин. Положим, что эти частоты равны; используя формулу для n фильтров с равными частотами среза, найдем
При этом получим
Схема с учетом номиналов:
4. Экспериментальная проверка работы усилителя
Параметры рабочей точки, полученные при эксперименте: напряжение коллектор-земля напряжение база-земля напряжение эммитор-земля
Амплитудная характеристика в режиме без обратной связи по току имеет нелинейный характер и большую крутизну (крутизна определяет коэффициент усиления), чем в режиме с обратной связью. Характеристика усилителя с обратной связью практически линейна. Обе зависимости сняты при Uвых<3В, это условие определяет линейный режим. Выше 3В - нелинейный.
Причина нелинейности амплитудной зависимости заключается в нелинейности передаточной характеристики. Если амплитуда входного сигнала не достаточно велика, то изза нелинейности передаточной характеристики возникают искажения.
Обратная связь вносит отрицательный эффект в усиление сигнала, т.к. уменьшается коэффициент усиления, вследствие того, что часть выходного сигнала подается обратно на вход для противодействия входному сигналу. Таким образом, в режиме без обратной связи получили коэффициент нелинейных искажений больше, чем в режиме с обратной связью.
C другой стороны, при использовании обратной связи по току уменьшаются нелинейные искажения. Режим без обратной связи, характеризуется большим коэффициентом усиления и достигается использованием разделительной емкости.
Вывод: в работе был исследован биполярный транзистор П306А и линейный усилитель на его основе. Определены параметры рабочей точки, в которой транзистор можно рассматривать как линейный усилитель и осуществлять управление малым сигналом.
Расчет рабочей точки был проверен экспериментально. Выяснено, что при использовании сопротивлений номиналам первого класса точности напряжение коллектор-земля, база-земля, эмиттер-земля отличается от рассчитанного значения (соответственно 4,3В; 1,3В; 0,6В), не более чем на 25%. Таким образом, можно сделать вывод, что расчет рабочей точки с определенной долей погрешности рассчитан правильно.
Значение коэффициента усиления А=10 достигнуто в режиме с обратной связью на частотах порядка 0,7-8 КГЦ, а в режиме без обратной связи на частотах 150-2000 Гц. В режиме с обратной связью амплитудная характеристика линейна.
При анализе статических характеристик транзистора была найдена допустимая амплитуда входного и выходного напряжений: Uвх = 0,25В и Uвых = 2,5В, в пределах которой сигнал не искажается. Эти значения подтвердились при снятии амплитудной и амплитудно-частотной характеристик усилителя. При снятии характеристик на более высоких напряжениях наблюдалось сильное искажение сигнала, что связано с интенсивной рекомбинацией носителей заряда, которая обуславливает область насыщения на статических характеристиках транзистора.
Таким образом, поставленная задача решена - получен и исследован усилитель низкой частоты на основе биполярного транзистора, а также определены его основные параметры.