Исследование работы биполярного транзистора в схеме усилителя низкой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ)»

Курсовая работа

по дисциплине Твердотельная электроника

на тему: Исследование работы биполярного транзистора в схеме усилителя низкой частоты

Санкт-Петербург 2005

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 Iв. Их отношение B = Ic/ Iв 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 Uе0,6В, чтобы мог протекать коллекторный ток порядка миллиампер.

Схема с общим эмиттером

Упрощенное изображение

Коэффициент усиления по напряжению:

A = Ua/Ue = -S(R_c r_CE)

Входное сопротивление r_E = r_BE;

Выходное сопротивление r_a = Rc r_CE.

Если входное напряжение повысить на небольшую величину Uе, то коллекторный ток увеличится. Поскольку выходные характеристики проходят почти горизонтально, можно сделать допущение о том, что ток Ic зависит только от U_ВЕ , но не зависит от U_CЕ . Тогда увеличение Ic составит:

ДIc ? S·ДUbe = S·ДUe

Так как коллекторный ток источника напряжения протекает через сопротивление Rc, то падение напряжения на Rc тоже повышается и выходное напряжение Ua возрастает на величину:

ДUa = - ДIc·Rc ? -S·Rc ·ДUe

Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению:

A = ДUa/ДUe ? -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 r_CE15 кОм. Тогда найдем коэффициент усиления по напряжению для ненагруженного каскада

, где

Таким образом, усиление э.д.с. генератора сигнала при R_L = 10 кОм составит

Это значение должно сохраняться до нижней частоты f_мин = 20 Гц. Поскольку схема содержит три фильтра верхних частот, то нужно выбрать частоты среза f_g этих фильтров в пределах до f_мин. 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 U_вых<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 из-за 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.

Размещено на Allbest.ru