Лабораторная работа №2 исследование вольт-амперных характеристик р-n перехода

Работа каскада в режиме постоянного тока. Этот режим характеризуется постоянными значениями токов и напряжений в цепях коллектора, эмиттера и базы транзистора, которые создаются источником питания E_к. Режим работы каскада по постоянному току следует выбирать таким образом, чтобы усиление сигнала выполнялось без искажений. В частности, необходимо получить минимальный коэффициент нелинейных искажений К_ни сигнала на выходе при заданном его динамическом диапазоне. Данный коэффициент отображает присутствие дополнительных гармонических составляющих в выходном сигнале, когда на вход каскада подается синусоидальный сигнал.
(3.1)

где U₂, U₃, … , U_N – дополнительные гармоники выходного напряжения, отсутствующие на входе; U₁– первая гармоника выходного сигнала.

Появление дополнительных гармоник обусловлено наличием в вольт-амперных характеристиках транзистора нелинейных участков. Неискаженный режим работы с максимальным динамическим диапазоном можно получить только в том случае, если точка покоя П выбрана, как показано на рис.3.3, в центре линейной области входных и выходных характеристик транзистора [2].

Рис. 3.3. Графическое построение режима покоя, токов и напряжений сигнала для каскада ОЭ на выходных (а) и входных (б) характеристиках транзистора

Для выполнения построений на выходных характеристиках (рис. 1.3, а) проводят через точку П линию нагрузки каскада по постоянному току (а – б) с учетом заданного напряжения питания E_к. Наклон этой линии к оси абсцисс описывается уравнением баланса напряжений в выходной цепи каскада по постоянному току:

(3.2)
где U_КЭП и I_КП – напряжение коллектор-эмиттер и ток коллектора в точке покоя; – дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока, его величина обычно находится в пределах 0,9 ÷ 0,99. Коэффициенты передачи β и α связаны соотношением .
На выходных характеристиках точка "а" соответствует режиму холодного хода, когда I_K=0, U_KЭ=E_K а точка "б" отображает режим короткого замыкания U_KЭ=0, при котором:

Пересечение линии нагрузки (а – б) с выходной характеристикой в точке П соответствует базовому току I_б2 I_бп, что позволяет определить положение точки покоя на входной характеристике транзистора, рис. 3.3, б.
Включение в эмиттерную цепь резистора R_э создает отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току, которая стабилизирует ток в указанной цепи, а, следовательно, положение точки покоя при различных возмущающих воздействиях, обусловленных колебаниями температуры окружающей среды, нестабильностью напряжения источника питания, изменениями параметров элементов схемы и другими факторами. Принцип действия ООС состоит в следующем – с ростом эмиттерного тока возрастает падение напряжения на R_э, это приводит к увеличению потенциала эмиттера относительно общей точки при неизменном потенциале базы, заданным резистивным делителем напряжения R₁ и R₂, в результате уменьшается разность потенциалов база-эмиттер, что препятствует возрастанию базового и эмиттерного токов. С увеличением R_э возрастает эффективность действия ООС и повышается стабильность работы каскада, однако увеличиваются потери энергии в схеме. При этом для сохранения заданного динамического диапазона выходного сигнала требуется увеличение напряжения E_к. С целью уменьшения потерь энергии и повышения КПД в мощных усилительных каскадах применяют термокомпесационный способ стабилизации рабочей точки.
С учетом приведенных построений на графиках (рис. 3.3) выполняется расчет значений резисторов R_э, R₁, R₂ и R_к. Значение R_э определяют из условия заданного падения напряжения на нем по уравнениям:


(3.3)
(3.4)

где U_эп – напряжение на эмиттере в режиме покоя относительно общей точки.

Сопротивление резистора R_к определяют с учетом из значения U_кэп, найденного в процессе графических построений:
(3.5)
Параметры делителя напряжения R₁ и R₂ определяют при известном значении
напряжения U_бп с учетом относительно малого тока базы I_бп в режиме покоя:
(3.6)
где I_д – ток в цепи делителя.
Тогда можно записать:
(3.7)
(3.8)