Разработка и изготовление лабораторного стенда для изучения выходных характеристик и параметров биполярных транзисторов

 

1.5 Эксплуатационные параметры  транзистора

Транзистор, как и любой другой электронный  прибор, характеризуется рядом эксплуатационных параметров, предельные значения которых  указывают на возможности практического  применения того или иного транзистора.

 К числу таких параметров относятся:

 Максимально допустимая мощность P_kmax, рассеиваемая коллектором. В общем случае мощность, рассеиваемая транзистором, складывается мощностей, рассеиваемых каждым р–n переходом:

        .                                                          (1.15)

        Обычно в усилительном режиме

        .                                 (1.16)

        При недостаточном теплоотводе разогрев коллекторного перехода может привести к резкому увеличению тока I_к. Это в свою очередь приводит к возрастанию мощности, рассеиваемой на коллекторе, и к еще большему нагреву коллекторного перехода. Процесс приобретает лавинообразный характер, и транзистор необратимо выходит из строя. Следует учитывать также, что при повышении температуры окружающей среды предельно допустимая мощность уменьшается. Поэтому необходимо тщательно следить за режимом работы транзисторов, исключая внешний нагрев прибора, особенно работающего при повышенных мощностях.

        Максимально допустимый ток коллектора.

        Транзистор может выйти из строя при превышении тока коллектора свыше определенных пределов. Процесс разрушения обусловлен неравномерным прохождением тока по площади p-n перехода, местным с разогревом и последующим прожиганием.

        Максимально допустимое напряжение между коллектором и общим электродом транзистора (U_{кэ max} или U_{кб max}).

        Это напряжение определяется величиной пробивного напряжения перехода. Кроме того, оно зависит от мощности, тока коллектора и температуры окружающей среды.

        Из соображений надежности работы схемы не рекомендуется использовать величины токов, напряжений и мощностей выше 70 % их наибольших допустимых значений. Следует, однако, отметить, что при работе в ключевом режиме значительная мощность выделяется на транзисторе только в течение перехода из открытого состояния к запертому и обратно (на активном участке характеристики). Поэтому среднее за период значение мощности, рассеиваемой в транзисторе, относительно невелико, что позволяет допускать мгновенные значения токов коллектора и эмиттера в 2 – 3 раза больше паспортных, предельных для режима усиления значений, не

опасаясь перегрева транзистора.

        Предельная частота усиления по току – частота, при которой коэффициент усиления по току β или α уменьшается до 0,7 (в √2 раз) своего значения на низких частотах.

        Выше перечислены лишь наиболее важные эксплуатационные параметры транзисторов. В паспортах транзисторов и справочниках указывается ряд других параметров: максимально допустимый ток базы, обратный ток эмиттера, максимально допустимый импульсный ток коллектора, напряжение насыщения коллектор-эмиттер, емкость коллекторного перехода, максимальная температура работы транзистора и т.д.

 

 

 

 

 

 

 Исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе

2.1 Усилительный каскад на биполярном транзисторе

        Ни в одном устройстве, которое относят к классу усилителей, в явном виде усиление сигнала не происходит, а имеет место процесс управления. Входной сигнал, воздействуя на активные элементы, например, на транзистор, определяет, какую долю энергии (мощности) от источника питания передать в нагрузку. И этот процесс управления внешне воспринимается как усиление. При этом, мощность, отдаваемая в нагрузку, всегда больше мощности потребляемой усилителем от источника сигнала, обеспечивающего управление усилителем.

        Таким образом, к усилителям относятся устройства, в которых наблюдается эффект усиления по мощности, т.е. выполняется условие:

                                                                                                     _(2.1)

        где: К_р ─ коэффициент усиления по мощности;

        Р_вых ─ мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;

        Р_вх ─ мощность, потребляемая усилителем от источника входного сигнала.

Рисунок 2.1Структура усилителя представленного в виде четырехполюсника

        Усилители, выполненные на лампах, биполярных и полевых транзисторах, называются электронными. В общем виде структура любого усилителя может быть представлена в виде четырехполюсника, как это показано на рис.2.1

        Приведём основные качественные показатели и характеристики электронных усилителей.

• Коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности определяются следующим образом:

        ;  ;  .                                                     _(2.2)

        Иногда указанные коэффициенты выражают в децибелах:

        ;  ; 

• Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показывает зависимость модуля соответствующего коэффициента усиления от частоты. На рис.2.2 приведены АЧХ для различных типов усилителей:
• АЧХ для усилителя переменного тока;
• АЧХ для усилителя постоянного тока (УПТ);
• АЧХ избирательного усилителя (wp1 — резонансная частота);
• АЧХ режекторного усилителя (wp2 — частота режекции).

На рис.2.2 Фазочастотная характеристика

• Фазочастотная характеристика (ФЧХ) показывает зависимость фазового сдвига выходного сигнала относительно входного в зависимости от частоты.

Рисунок 2.3 Фазочастотная характеристика

        На рис.2.3 приведены АЧХ и ФЧХ для усилителя переменного тока. Изменение коэффициента усиления от частоты и появление фазового сдвига можно объяснить наличием реактивных элементов (C,L) в схеме усилителя, сопротивление которых изменяется в зависимости от частоты. В целом ряде электронных цепей, в том числе и в усилителях, можно выявить однозначную связь между К(w) и φ(w). Такие цепи называются минимально-фазовыми. В том частотном диапазоне, где наблюдается изменение амплитуды, будет наблюдаться и изменение фазы, что и просматривается на рис.2.3

Частотные искажения и диапазон усиливаемых частот. В усилителе задаётся диапазон усиливаемых частот (wн … wв и fн … fв), или же полоса пропускания усилителя Δw=wв−wн ─ такой диапазон частот, в пределах которого неравномерность АЧХ составляет не более заданного (например, для радиовещательных усилителей заданный диапазон порядка 3дб). В зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, указанные частоты могут отличаться на несколько порядков.

        Весь частотный диапазон условно разбивают на три области: область нижних частот (НЧ), область средних частот (СЧ) и область верхних частот (ВЧ). Под областью средних частот обычно понимают ту область, где изменение коэффициента усиления усилителя незначительно. В области нижних и верхних частот наблюдается уменьшение коэффициента усиления (или «завал» характеристик).

        На нижних и верхних частотах не задают коэффициент усиления, а используют коэффициент частотных искажений М. Он показывает, во сколько раз коэффициент усиления на соответствующей частоте меньше (или больше), чем коэффициент усиления на средней частоте.

Для нижних и верхних частот коэффициент М представляется в  виде:

        ,       .                                                          _(2.3)

        Реальные значения коэффицмента |М| лежит в пределах 1,001- .

        Частотные искажения, также как и «завал» в АЧХ определяется реактивными элементами, которые в первом приближении можно считать линейными.

        Если на вход усилителя, имеющего частотные искажения, подать простой сигнал, состоящий из одной гармонической составляющей, то изменения формы на выходе усилителя наблюдаться не будет. При поступлении сложного сигнала из нескольких гармонических составляющих, форма суммарного сигнала на выходе усилителя будет отличаться от формы входного сигнала, вследствии разного коэффициента усиления и различного фазового сдвига для каждой из гармоник. Появятся различные искажения формы гармонических составляющих.

 

 

 

Рисунок 2.4 Амплитудная характеристика и нелинейные искажения

        Амплитудная характеристика показывает зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды входного. На рис.2.4 приведена идеальная амплитудная зависимость «а», которая представляет собой прямую линию. Реальная зависимость «б» имеет нелинейную зависимость.

        При U_вх=0 на выходе усилителя присутствует сигнал, обусловленный наличием шума элементов усилителя, наводок и т.д. Формируется участок 1 (U_ш). По мере увеличения входного сигнала влияние шумов становится меньше и формируется квазилинейный участок 2. Если на вход поступил сигнал больше U_{вх max}, то усилитель начинает работать в режиме ограничения сигнала, участок 3. Таким образом, зависимость U_вых от U_вх является нелинейной. Этот факт обусловлен наличием нелинейных элементов, одним из которых является транзистор.

        Для характеристики качества усилителя вводят понятие динамического диапазона усиления:

        .                                                                                    _(2.4)

        Наличие нелинейности приводит и к тому, что в спектре выходного сигнала появляются более высокочастотные составляющие (высшие гармоники U_r). Они суммируются с усиленным сигналом и вызывают дополнительные нелинейные искажения. Для оценки нелинейных искажений введено понятие коэффициента нелинейных искажений, который определяется следующим образом:

        ,                                                                           _(2.5)

        где: U_r1 ─ амплитуда усиленного сигнала; U_r2, U_r3, U_r4 ─ амплитуды высших гармоник, возникших в результате нелинейных искажений.

        Нелинейные искажения изменяют форму выходного сигнала даже тогда, когда входной сигнал содержит только одну гармоническую составляющую.

Переходная характеристика усилителя h(t) показывает реакцию или определяет форму сигнала на выходе усилителя  при подаче на его вход единичного скачка тока или напряжения. Она  используется при исследовании переходных процессов в импульсных усилителях.

Рисунок 2.5 Переходные характеристики

На рис.2.5 приведено несколько видов переходных характеристик:

        1 - идеальная переходная характеристика;

        2,4 - характеристика носит колебательный характер;

        3 - характеристика имеет апериодический характер.

2.2 Основные элементы и их  назначения

        На рис.2.6 приведена принципиальная электрическая схема типового усилительного каскада на биполярном транзисторе. Внешний вид схемы не зависит от структуры применяемого транзистора. Рассмотрим основные элементы, входящие в состав любого усилителя, и их краткую характеристику.

Рисунок 2.6 Принципиальная электрическая схема типового усилительного каскада на биполярном транзисторе

        VT - активный усилительный элемент - транзистор;

        R_к - резистор, через который подается напряжение питания на  коллектор транзистора. На нём выделеляется усиленный сигнал;

        R_н - элемент нагрузки. На него подается выделенный усиленный сигнал;

        R_э - резистор в цепи эмиттера. Служит для стабилизации положения рабочей точки. За счет этого элемента в усилителе вводится местная отрицательная обратная связь по постоянному току. При отсутствии конденсатора С_э за счёт него вводится отрицательная связь и по переменному току. Одновременно резистор R_э участвует (совместно с резисторами R1 и R2) в задании начального положения рабочей точки транзистора;

        С_э - конденсатор в цепи эмиттера, служит для устранения местной отрицательной обратной связи по переменному току;

        R1, R2 - резисторы, образующие делитель в цепи базы транзистора. Совместно с резистором R_э они обеспечивают начальный режим работы транзистора. Участвуют в процессе стабилизации положения рабочей точки.

Ср1, Ср2 - разделительные конденсаторы, которые пропускают только переменную составляющую сигнала от входного источника на вход транзистора и переменную составляющую усиленного сигнала с коллектора транзистора в нагрузку. Задерживают постоянную составляющую сигнала.

2.3 Влияние элементов на характеристики  и параметры усилителя

        На рис.2.7 приведена полная эквивалентная схема усилителя. На ней:

        R_б=R1||R2;

        R_к'=R_к||R_н;

        C_o'=С_м+С_н.

        Для упрощения рассмотрим влияние элементов на работу усилителя отдельно для каждой области усиливаемых частот.

2.4 Область средних частот

        Под областью средних частот понимают ту область, где влиянием реактивных элементов можно пренебречь. Коэффициент усиления для этой области определяется выражением

Рисунок 2.7 Полная эквивалентная схема усилителя

        ,                                                                      _(2.6)

        где:  R_экв=R_r||R_б; R_{вх тр}=rб+rэ (1+β).

        Из приведенного выражения видно, что коэффициент усиления будет увеличиваться в нескольких случаях:

• при увеличении R_к', т.е. R_к или R_н;
• при применении танзистора с большим коэффициентом усиления β;
• при уменьшении выходного сопротивления источника входного сигнала R_г.