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

Работа каскада в диапазоне средних частот. При подключении к входу усилителя (рис.3.1) источника сигнала e_г на постоянные составляющие токов и напряжений в транзисторе накладываются переменные составляющие сигнала. Однако направление токов и полярность напряжений остается неизменной, меняются только их значения во времени по закону управляющего сигнала.
Разделительные конденсаторы C_P1 и C_P2 необходимы для предотвращения протекания постоянного тока соответственно в цепях источника сигнала и нагрузки. Это сохраняет заданный режим работы транзистора по постоянному току. Конденсатор C_э шунтирует резистор R_э, исключая ООС по цепи переменного тока. В диапазоне средних частот реактивные сопротивления конденсаторов C_P1, C_P2 и C_э относительно малы, а сопротивление емкости коллекторного перехода С_к(э) велико по сравнению с r_к(э). Емкость нагрузки С_н в указанном диапазоне частот выбирается обычно из условия выполнения неравенства R_н~ X_сн, поэтому ее влиянием на работу каскада также можно пренебречь.
При известном значении мгновенного напряжения входного сигнала u_вх= u_бэ~ можно найти по входной характеристике транзистора переменную составляющую тока базы i_б~, как показано на рис. 3.3, б. Данный ток в базовой цепи транзистора вызывает появление переменной составляющей тока в коллекторе i_к~ i_б~. С учетом переменной и постоянной составляющих коллекторного тока можно записать выражение баланса напряжений в цепи источника питания E_к:
(3.9)
где u_вых~ и i_к~ – мгновенные значения переменных составляющих выходного напряжения и тока коллектора.
Из приведенных построений на вольт-амперных характеристиках транзистора видно, что с ростом напряжения u_вх увеличивается мгновенное значение тока базы i_б соответственно тока коллектора i_к и уменьшается напряжение на коллекторе u_вых, т. е. напряжение на выходе каскада находится в противофазе с напряжением на его входе.
Линия нагрузки (в – г) по переменному току (рис. 3.3, а) проходит через точку покоя круче к оси абсцисс, чем линия по постоянному току, так как R_н~ R_к. В общем случае угол наклона нагрузочных линий определяется соотношением:
(3.10)
где x – масштабный коэффициент по оси ординат, А/см;
у – масштабный коэффициент по оси абсцисс, В/см.
Если R_н = , то указанные линии нагрузки совпадают. По точкам пересечения линии нагрузки переменного тока с мгновенными значениями напряжения u_вых можно найти мгновенные значения тока коллектора i_к. Как следует из построений, выполненных на вольт-амперных характеристиках транзистора, нелинейные искажения базового и коллекторного токов пренебрежимо малы, если размах сигнала не выходит за пределы линейной области этих характеристик. Тогда в цепи нагрузки R_н~ формируется неискаженный выходной сигнал.
Графические построения, приведенные на рис. 3.3, позволяют определить амплитудные значения переменных составляющих токов I_кm~, I_бm~ и напряжений U_вых.m~, U_{бэ m~} в цепях транзистора и вычислить коэффициенты усилителя по току и напряжению при известном амплитудном значении сигнала на базе U_{бэ m~}:
(3.11)
где U_{вх. m} = U_{бэ m~}.
Зависимость амплитуды выходного напряжения U_вых.m от амплитуды входного сигнала U_вх.m отображает амплитудная характеристика усилителя, приведенная на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Амплитудная характеристика усилителя

Она имеет линейный участок (а – б), где входное и выходное напряжения не выходят за пределы линейной области вольт-амперных характеристик транзистора. Дальнейшее увеличение U_вх.m приводит к ограничению роста U_вых.m и к появлению нелинейных искажений.

При нулевом значении входного сигнала на выходе реального усилителя присутствует относительно небольшое напряжение помехи U_пом, которое обусловлено следующими основными факторами: наводками от построенных электромагнитных источников; пульсациями постоянного напряжения источника питания с частотой, кратной частоте питающей сети; тепловым шумом, вызванным флюктуационным движением электронов в объеме проводника. Действующее значение напряжения шума на входе усилителя при температуре окружающей среды 20 С приближенно определяется равенством:
(3.12)
где R_вх – активная составляющая входного сопротивления каскада (кОм); f – полоса пропускания усилителя (кГц).
Практически наиболее опасен тепловой шум первого каскада. Обычно он составляет заметную величину на выходе усилителя с большим коэффициентом усиления и с широкой полосой пропускания, начиная от единиц МГц.
Очевидно, что минимальное напряжение выходного сигнала U_мин ограничено величиной помехи, а его максимальное значение U_мак определяется точкой “б” излома линейного участка амплитудной характеристики. Поэтому усиление сигнала может выполняться только в определенном динамическом диапазоне D_дБ его амплитудных значений:
(3.13)
Для качественного воспроизведения усилителем музыкальных произведений этот диапазон должен составлять 70 80 дБ.
Анализ работы каскада ОЭ в диапазоне средних частот выполним на основе схемы замещения, приведенной на рис. 3.2, без учета влияния конденсаторов и емкости коллекторного перехода C_к(э) транзистора. Очевидно, что входные и выходные цепи усилителя оказывают существенное влияние на его коэффициенты усиления по току и напряжению [3]. В частности, резистивные делители тока R_б/(R_б r_вх) во входной цепи и R_к/(R_к R_н) – в выходной цепи уменьшают коэффициент усиления каскада по току, где r_вх r_б r_э (1) – входное сопротивление транзистора. Коэффициенты передачи по напряжению указанных цепей определяются выражениями:
(3.14)
где R_вх r_вх||R_б – входное сопротивление каскада.
Значение _{вых. о} получено с учетом выражения:
_{вых. о} = U_вых/U_{вых. хх}, (3.15)
где U_{вых. хх} – выходное напряжение усилителя в режиме холостого хода при отключенной нагрузке и присутствии в коллекторной цепи транзистора только сопротивления R_к.
С целью количественной оценки влияния указанных цепей на параметры каскада запишем выражение для определения коэффициента усиления по напряжению K_ус.о в режиме холостого хода относительно сигнала U_вх, обозначенного на рис.3.2:
(3.16)
Коэффициент усиления по напряжению , вычисленный с учетом нагрузки, равен:
(3.17)
Запишем выражение для определения K_U0 с учетом влияния входных и выходных цепей каскада:
(3.18)
Полученное выражение можно представить в виде:
(3.19)
Для определения коэффициента усиления каскада по то ку K_I0 необходимо вначале найти значения токов во входной цепи I_вх и в цепи нагрузки I_н:
(3.20)
(3.21)
Выражение для коэффициента усиления по току получим в виде:
(3.22)
Выходное сопротивление каскада также определяется по его схеме замещения. С учетом неравенства r_к(э)>>r_э можно записать:
(3.23)
где Rк < rк ( э ) .
Коэффициент усиления по мощности:
(3.24)