Усилительный каскад на биполярном транзисторе c общим коллектором

 

Цель работы: Исследование свойств усилителя при включении биполярного транзистора с общим коллектором (каскад ОК). Сравнительный анализ с каскадом ОЭ.

Краткие теоретические сведения.

 

В каскаде с общим коллектором (ОК) нагрузка подключается между эмиттером транзистора и земляной шиной, при этом сопротивление, определяющее режим выходной цепи по постоянному току, ставится в эмиттерную цепь. Коллектор непосредственно подсоединяется к плюсу источника питания. На рис.3.1 изображена принципиальная схема каскада с ОК, а на рис.3.2 – схема для переменных токов.

 

При достаточно малом внутреннем сопротивлении источника питания можно считать, что коллектор транзистора по переменному току практически имеет потенциал земли, т.е. транзистор для переменного тока включен по схеме с общим коллектором. Это и отражено на схеме каскада для переменных токов, представленной на рис.3.2.

Транзистор с ОК может быть представлен в виде линейного активного четырехполюсника в окрестности рабочей точки через h_к -параметры, соответствующими включению его с общим коллектором (рис. 3.3).

Уравнения, описывающие транзистор с ОК с помощью его собственных h -параметров, имеют вид:

(3.1)

На рис.3.4 показана видоизмененная эквивалентная схема включения транзистора с ОК, где явно просматривается транзистор с ОЭ.

Соответствующие параметры транзистора с ОБ можно легко рассчитать, если известны h_Э -параметры транзистора с ОЭ. Осуществляя опыты ХХ и КЗ, получаем для :

для Di_б = 0:

Для определения рабочей точки транзистора следует провести графическое или экспериментальное построение его ДПХ i_э(u_б). Предполагается известной ДПХ транзистора с ОЭ.

В активном режиме работы транзистора всегда выполняется неравенство i_к >> i_б, а ток эмиттера представляет собой сумму коллекторного и базового токов, поэтому можно считать i_э » i_к, и при равных значениях Е_к, R_к и R_эсостояние транзистора графически можно представить той же линией нагрузки, что и для каскада с ОЭ. Поскольку напряжение

u_б = u_бэ + u_эк = u_бэ + i_эR_э,

то для построения ДПХ каскада с ОК достаточно к каждой абсциссе точек построения ДПХ каскада с ОЭ добавить величину, равную i_эR_э.

Смещение, максимальные амплитуды входного и выходного сигналов для данного каскада примерно равны половине напряжения источника питания, а коэффициент передачи по напряжению каскада с ОК немного меньше единицы, что позволяет назвать данный усилительный каскад повторителем напряжения. Обычно такой каскад называют эмиттерным повторителем.

Эквивалентная схема усилительного каскада с ОК в области средних частот с учетом выходного сопротивления источника сигнала и нагрузки

 

может быть представлена в виде рис.3.5, где транзистор представлен своими h_к -параметрами в принятых ранее обозначениях. Величина h _12,б=1 обуславливает глубокую (100%-ную) отрицательную обратную связь, что отражено на схеме источником напряжения с амплитудой U_m,вых, направленного встречно по отношению к источнику входного сигнала усилителя.

Внешние параметры каскада определяются аналогично тому, как это делалось для каскада с ОЭ, но с учетом отрицательной обратной связи. Из схемы рис.3.5 получаем:

- коэффициент передачи по напряжению в области средних частот

Или с учетом того, что обычно

.

- входное сопротивление

Или

R_вх,ок≈r_бэ(1+SR_э).

- выходное сопротивление

(3.6)

Таким образом, входное сопротивление каскада с общим коллектором много больше входного сопротивления каскада с общим эмиттером. Выходное же сопротивление каскада с ОК много меньше входного сопротивления каскада с ОЭ.

Благодаря большому входному и малому выходному сопротивлениям каскад с ОК имеет широкую полосу пропускания (примерно в SR_э раз большую, чем каскад с ОЭ).

 

Предварительная подготовка к работе.

1. Нарисовать принципиальную схему каскада с ОК.

2. Используя данные работы №2 построить ДПХ каскада с ОК на транзисторе КТ315 для Е_к =6,3 В, R_э =110 Ом.

3. Выбрать рабочую точку транзистора и определить максимальную амплитуду входного сигнала для обеспечения линейного режима работы транзистора.

4. По ДПХ определить коэффициент передачи каскада ОК по напряжению и току. Определить коэффициент передачи каскада с ОЭ, если бы R _к равнялось бы 110 Ом. Сравнить К _ок и К _оэ.

5. В выбранной рабочей точке определить h_к -параметры транзистора через h_э -параметры транзистора с ОЭ.

6. По эквивалентной схеме определить коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления транзистора и усилителя, нижнюю и верхнюю граничную частоты.

 

Выполнение работы.

1. Собрать схему рис.3.1.

 

Параметры элементов схемы: транзистор КТ315, R_б=R₂ =6.2 Ком, R_э= R₅+ R₆=110 Ом.

2. Изменяя постоянное напряжение на базе U_б с помощью регулируемого источника напряжения Е _б, снять ДПХ каскада в виде зависимости U_э(U_б). Примерный диапазон изменения напряжений на базе и эмиттере составляет 0....+ Е _к. Если не удается измерить весь диапазон ДПХ от отсечки до насыщения, дополнить этот диапазон графически.

3. Построить график ДПХ каскада, отметить рабочую точку, соответствующую линейному режиму. Записать данные статического режима (параметры рабочей точки). Определить по ДПХ максимально возможную амплитуду входного сигнала U_{m,вх,макс}, рассчитать коэффициент усиления по напряжению.

4. Установить выбранную рабочую точку, убедиться в том, что значения постоянных напряжений на базе и эмиттере соответствуют выбранной рабочей точке. К входным зажимам каскада через емкость С 2=0,1 мкФ подключить генератор Г6=46 и один из каналов осциллографа. Второй канал осциллографа подключить к выходным зажимам каскада. Установить на входе гармонический сигнал с частотой 50 кГц и амплитудой, несколько меньшей U_{m,вх,макс}. Измерить амплитуду выходного сигнала, рассчитать коэффициент усиления по напряжению. Сравнить с расчетным. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений с указанием на них соответствующих амплитуд.

5. Изменяя частоту входного сигнала построить АЧХ и определить граничные частоты. По значениям граничных частот определить входное и выходное сопротивления транзистора с ОК. Провести сравнительный анализ с аналогичными параметрами каскада с ОЭ.

6. Оформить отчет. троить АЧХа них соответствующих амплитуд.диапазон графически.

Контрольные вопросы:

1. Объяснить назначение всех элементов каскада с ОК.

2. Как определяется рабочая точка каскада с ОК?

3. Какова связь ДПХ каскада с ОЭ и каскада с ОК?

4. Как экспериментально и по ДПХ построить амплитудную характеристику каскада? Какие параметры каскада она определяет?

5. Коэффициенты усиления каскада по напряжению и току.

6. Входное сопротивление каскада ОК.

7. Выходное сопротивление каскада ОК.

8. Применение каскада ОК.

9. Объяснить различия в полосах пропускания каскадов с ОЭ и ОК.

 

Работа №4