Исследование типовых схем включения транзисторов

Цель работы:

Исследование характеристик и параметров усилительных каскадов на биполярных транзисторах в схемах: с общим эмиттером (ОЭ) и отрицательной обратной связью по току (ООС); с общим коллектором.

4.1. Теоретические сведения.

4.1.1. Основные характеристики усилителей.

Усилитель - это устройство, предназначенное для усиления

мощности входного сигнала за счет потребления энергии источников

питания.

В зависимости от схемы включения биполярного транзистора

усилители делятся на: усилители с ОЭ, ОК, ОБ. К основным параметрам усилителей относятся:

· коэффициент усиления по:

напряжению Кu = Uвых/Uвх,

току Кi = Iвых/Iвх,

мощности Кp = Pвых/Pвх,

· входное сопротивление между входными зажимами усилителя для переменного входного тока

Rвх = Uвх/Iвх,

· выходное сопротивление - сопротивление между выходными зажимами усилителя для переменного тока при отключенном сопротивлении нагрузки

Rвых = Uвых/Iвых,

· коэффициент полезного действия усилителя - отношение мощности, поступающей в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания:

n = Рн/Рп.

К основным характеристикам усилителя также относятся амплитуднофазо-частотная (АФЧХ) и амплитудная (АЧХ) характеристики. В общем случае коэффициент усиления по напряжению и току является величиной комплексной, характеризующейся модулем и фазой, которые зависят от частоты усиливаемого сигнала.

Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов и зависимости свойств транзистора от частоты коэффициент усиления усилителя имеет различные значения на различных частотах. Это явление называется частотными искажениями усилителя. Для их оценки вводится параметр, называемый коэффициентом частотных искажений М(w), равный отношению коэффициента усиления на данной частоте Кu(w) к коэффициенту усиления на средних частотах Кuo:

M(w) = Ku(w)/Kuo.

Частоты, на которых коэффициент усиления достигает предельно допустимого (граничного) значения

Ku(w)гр = Kuo/Ö2=0,707*Kuo,

называется верхней wв.гр и нижней wв.гр граничными частотами (частотами среза), а разность w = wв.гр - wн.гр – полосой пропускания усилителя.

Амплитудная характеристика усилителя - это зависимость амплитуды выходного сигнала Uвыхm от амплитуды входного сигнала

Uвхm на некоторой постоянной частоте.

Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет прямую линию, проходящую через начало координат, а амплитудная характеристика реального усилителя совпадает с характеристикой идеального только на некотором участке. При больших входных сигналах Uвхm > Uвхmmax выходное напряжение усилителя перестает возрастать. Это связано с тем, что рабочая точка транзистора попадает в область насыщения или отсечки. При этом выходной сигнал искажается. Это явление называется нелинейными искажениями и оценивается коэффициентом гармоник:

где Рn - мощность n-й гармонической составляющей выходного сигнала,

Р1 - мощность первой гармоники.

Если нагрузка усилителя активная, то коэффициент гармоник

принимает вид:

При малых входных сигналах

Uвxm < Uвxmmin

выходное напряжение усилителя остается практически постоянным и равным Uвыxmmin. Напряжение Uвxmmin называется напряжением собственных шумов усилителя. Собственные шумы усилителя обусловлены различными помехами и наводками, а также непостоянством электрических процессов во времени. Отношение

Uвxmmax/Uвxmmin = D

называется динамическим диапазоном усилителя.

4.1.2. Усилительный каскад на БТ с ОЭ.

Наиболее распространенная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис. 4.1.

Входное усиливаемое переменное напряжение uвх подводится ко входу усилителя через разделительный конденсатор Cp1. Конденсатор Cp1 разделяет источник входного сигнала и базовый вход усилителя по постоянному току, чтобы исключить нарушение начального режима работы транзистора VI. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора VI, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением Rн через разделительный конденсатор Ср2. Этот конденсатор служит для разделения выходной (коллектор

ной) цепи транзистора и внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока Iок. Значение Iок и других постоянных составляющих токов и напряжений в цепях транзистора зависят от режима работы по постоянному току (положения рабочей точки на нагрузочной прямой). Положение рабочей точки, т.е. значение начального тока базы Iоб задается делителем RI, R2. При отсутствии

Схема усилителя на БТ с ОЭ

Рис. 4.1.

входного переменного сигнала в цепи коллектора протекает постоянный ток Iок, значение которого определяется из выражения:

Uокэ + Iок*Rк + Iоэ*Rэ = Uокэ + Iок(Rк + Rэ) = Eк,

где Rк - сопротивление в цепи коллектора,

Rэ - сопротивление в цепи эмиттера.

Решив это уравнение относительно тока Iок, получим динамическую характеристику транзистора по постоянному току

Iок = Eк/(Rк+Rэ) - Uокэ/(Rк+Rэ).

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии,

проходящей через точки с координатами: Ек, 0; 0, Eк/Rкэ, изображенными на выходных характеристиках транзистора.

Усилительные каскады могут работать в одном из режимов:

А, В, С, АВ, определяемых начальным положением рабочей точки при отсутствии входного переменного сигнала. При работе транзистора в активном (усилительном) режиме (класс А) начальное положение рабочей точки должно быть таким, чтобы ток через активный элемент транзистора протекал в течение всего периода изменения входного сигнала, а амплитудное значение выходного тока Iкm не превышало начального тока Iок. Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения R1, R2, значения которых определяется соотношениями:

R1 = (Eк – Uобэ - Urэ)/(Iдел + Iоб);

R2 = (Uобэ + Urэ)/Iдел,

где, Iдел = (2...5)Iоб - ток в цепи делителя,

Urэ = (0,1...0,25)Ек - для каскадов предварительного усиления.

При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки. С этой целью в эмиттерную цепь введен резистор Rэ, на котором создается напряжение отрицательной обратной связи ООС по постоянному току Urэ. Для устранения ООС по переменному току при наличии входного переменного сигнала резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным.

Аналитический расчет коэффициентов усиления по току, напряжению и мощности, а также входного и выходного сопротивлений

производится по эквивалентным схемам усилительного каскада для

различных диапазонов частоты входного сигнала.

4.1.3. Усилительный каскад на БТ с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Эмиттерный повторитель (ЭП) представляет собой усилитель тока и мощности, выполненный на транзисторе по схеме с ОК. Его схема представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2.

Сопротивление нагрузки включается в эмиттерную цепь транзистора. ЭП обладает повышенным входным и пониженным выходным сопротивлениями. Его входное и выходное напряжения совпадают по фазе и незначительно отличаются по величине. Отмеченные свойства ЭП позволяют использовать его для согласования высокоомного источника напряжения с низкоомной нагрузкой.

ЭП можно рассматривать как усилительный каскад с ОЭ, у которого Rк = 0, а резистор в цепи эмиттера не зашунтирован конденсатором Сэ. В этом случае все выходное напряжение, выделяемое на сопротивлении в цепи эмиттера, последовательно вводится во входную цепь усилителя, где вычитается из напряжения входного сигнала uвх, снижая его. В схеме действует 100% последовательная отрицательная обратная связь по напряжению.

Коэффициент усиления по напряжению ЭП

Кu = uвых/uвх = (Iэ*Rэ)/(Iб*Rвх).

Коэффициент усиления по току в схеме ЭП без учета Rн (холостой ход)

Кi = Iэ/Iб = 1+в.

4.2. Подготовка к работе.

4.2.1. Изучить принцип работы схем усилительных каскадов на БТ с ОЭ и ОК.

4.2.2. Изучить порядок расчета схем усилительных каскадов БТ с ОЭ и ОК.

4.2.3. По известным элементам схемы усилителей рассчитать

величину сопротивления R23 с учетом наименьших нелинейных искажений.

4.2.4. Рассчитать значения основных параметров для названных схем включения усилителей Кu, Кi, Кp, Rвх и Rвых, работающих в области средних частот (f = 1000 Гц).

4.2.5. Нарисовать схемы исследуемых усилительных каскадов.

4.2.6. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

4.3. План работы.

4.3.1. Собрать схемы источника питания и генератора синусоидальных колебаний (см. паспорт к стенду). Выставить заданное преподавателем напряжение питания усилительных каскадов.

4.3.2. Собрать схему усилителя без шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера, на основе схемы рис. 4.3. Приложение 1, установив рассчитанное значение резистора R23.

4.3.3. Подать на вход усилителя от генератора ГС1 синусоидальный сигнал частой f = 1кГц и амплитудой Uвхm = 0,05В. Замерить с помощью осциллографа амплитуду выходного сигнала Uвыхm и зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

Рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению, току и мощности.

4.3.4. Изменяя величину сопротивления R23 по осциллографу

определить момент появления в выходном сигнале больших нелинейных искажений и зарисовать осциллограмму этого напряжения.

4.3.5. Включить емкость в цепь эмиттера и выполнить операции п.п. 4.3.3 и 4.3.4.

4.3.6. Установить амплитуду входного сигнала Uвхm = 0,05В.

Изменяя частоту входного сигнала от 0 до 100кГц снять амплитудно-частотную характеристику усилителя и построить ее.

4.3.7. Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой f = 1кГц. Изменяя амплитуду входного сигнала Uвхm от 0 до 0,5В (порядка 10 значений) построить амплитудную характеристику усилителя. Для каждого значения Uвхm зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Определить Uвых max в момент появления существенных нелинейных искажений.

4.3.8. Собрать схему ЭП согласно рис. 4.4. Приложение 1.

4.3.9. Для данной схемы провести исследования согласно п.п. 4.3.3., 4.3.6., 4.3.7.

4.3.10. Сравнить результаты теоретических расчетов и практических исследований, сформулировать выводы по каждому пункту рабочего задания.

4.4. Контрольные вопросы.

4.4.1. Определить по принципиальной схеме усилительного каскада способ включения транзистора.

4.4.2. Сравните усилители с ОЭ, ОК, ОБ по коэффициентам усиления Ki, Ku, Kp.

4.4.3. В каком усилителе осуществляется усиление по напряжению и по мощности?

4.4.4. В каком усилителе осуществляется усиление по току и по мощности?

4.4.5. Какой усилитель обеспечивает максимальное усиление по мощности и почему?

4.4.6. Сравните усилители с ОЭ, ОБ, ОК по значениям Rвх и

Rвых. Чем обусловлено их различие?

4.4.7. Сравните частотные свойства каскадов с ОЭ, ОБ, ОК и

объясните причины различия.

4.4.8. Объясните назначения отдельных компонентов схем усилителей с ОЭ, ОБ, ОК.

4.4.9. Как зависит Rвх, Rвых, Ku, Ki, Kp усилителя с ОЭ от значений электрических параметров отдельных компонентов схемы?

4.4.10. Когда следует применять усилительные каскады, включенные по схеме с ОЭ, ОБ, ОК?

4.4.11. Назовите способы задания режима работы транзистора в усилительных каскадах?

4.4.12. Как построить нагрузочную линию транзистора по постоянному и переменному току?

4.4.13. Объясните влияние температуры на режим работы усилительных каскадов.

4.4.14.Какие вы знаете способы температурной стабилизации

режима работы усилительных каскадов?

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 5

Дата добавления: 2015-03-29