Краткие теоретические сведения

Лабораторная работа № 18

Исследование однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе

Цель работы

1. Ознакомиться с устройством биполярных транзисторов и их свойствами.

2. Ознакомиться с входными и выходными характеристиками биполярных транзисторов и способами включения их в усилительных устройствах.

3. Исследовать работу однокаскадного транзисторного усилителя, построить его амплитудную характеристику.

Краткие теоретические сведения

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя р-n- переходами, имеющий трехслойную структуру n-p-n или p-n-p. Средняя область между двумя р-n переходами называется базой (рис. 7.2.21). Толщина ее делается достаточно малой.

Рис. 7.2.21. Биполярный транзистор

Соседние области называются эмиттером и коллектором. Соответственно р-n переход эмиттер-база называется эмиттерным, а переход база-коллектор – коллекторным. Биполярные транзисторы выпускаются германиевыми и кремниевыми, которые получили более широкое применение в современной аппаратуре.

Различают следующие режимы транзистора. Режим отсечки токов (режим закрытого транзистора): когда оба перехода смещены в обратном направлении (закрыты), токи в транзисторе малы. Режим насыщения (режим открытого транзистора): когда оба перехода смещены в прямом направлении, токи в транзисторах максимальны и не зависят от его параметров. Активный режим: когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Рис. 7.2.22

В режимах отсечки и насыщения управление в транзисторе отсутствует. Напряжения между электродами (режим отсечки) и токи открытого транзистора (режим насыщения) определяются параметрами компонентов внешних цепей. В активном режиме эмиттерный ток р-n- перехода управляет током коллектора. Активный режим называется усилительным. Транзисторы чаще всего применяются для усиления переменных сигналов, при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением. Во входной цепи, кроме источника постоянного напряжения, необходимого для обеспечения активного режима работы (напряжение смещения), также используют источник переменного напряжения, который нужно усилить. Имеются три наиболее характерные схемы включения транзистора: а) схема с общей базой; б) схема с общим коллектором; в) схема с общим эмиттером, которая на практике используется наиболее часто.

Рис. 7.2.23

В схеме с общим эмиттером, управляющим током, является ток базы. Поэтому входной характеристикой будет зависимость при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером (рис. 7.2.22), а выходной – зависимость при фиксированном значении тока базы (рис. 7.2.23).

В активном режиме идеализированные выходные характеристики представляют собой параллельные прямые, описываемые уравнением:

,

где – коэффициент передачи тока базы в коллектор (b = 20…200, иногда достигает тысяч);

– коэффициент передачи тока эмиттера в коллектор (a = 0,95…0,99).

Рис. 7.2.24. Схема усилителя на биполярном транзисторе,

включенном с ОЭ

Для оценки реальной зависимости вводится параметр – дифференциальное сопротивление коллектора

.

Схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ) показана на рис. 7.2.24. В схеме коллекторная цепь состоит из резистора R_K и источника E_K, а цепь базы – из источника смещения E_Б, резистора R₁ и источника усиливаемого напряжения e_Г. Источник E_Б совместно с резистором R₁ обеспечивает положение исходной рабочей точки на участке характеристик с наименьшей нелинейностью. В качестве выходного напряжения используется переменное напряжение, выделяемое на резисторе нагрузки R_K (на коллекторе транзистора). Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис. 7.2.25. При e_Г = 0, токи базы и коллектора будут определяться токами в рабочей точке (I_БО, I_КО) и напряжением на коллекторе

Во время отрицательного полупериода входного напряжения (рис. 7.2.25,а) прямое напряжение эмиттерного перехода увеличивается (рис. 7.2.25,б), что вызывает рост тока базы и коллектора (рис. 7.2.25,д). Если работа происходит на линейных участках характеристик транзистора, то формы переменных составляющих токов базы и коллектора совпадают с формой входного напряжения, а переменное напряжение на коллекторе, обусловленное переменной составляющей коллекторного тока, оказывается сдвинутым, относительно входного напряжения на 180⁰. При соответствующем выборе сопротивления нагрузки R_K, амплитуда переменного напряжения на выходе (рис. 7.2.25,е) такого усилителя может значительно превышать амплитуду входного напряжения. В этом случае происходит усиление сигнала.

В данной схеме необходимым условием прохождения коллекторного тока является наличие источника напряжения постоянного тока.

Следовательно, процесс усиления состоит в преобразовании энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока. При этом транзистор является своеобразным регулятором. Под действием напряжения (или тока) входного сигнала, он управляет током источника питания. При этом величина и форма управляемого (коллекторного) тока зависят не только от амплитуды и формы входного сигнала, но и от выбранного режима работы транзистора, то есть от положения рабочей точки на характеристиках транзистора.