Теоретическое введение. На биполярном транзисторе

На биполярном транзисторе

Исследование работы усилительного каскада

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Цель работы: Исследование режимов работы усилительного каскада на биполярном транзисторе.

Любой усилительный каскад имеет активный нелинейный элемент. В качестве такого элемента в данном случае применен биполярный транзистор. Процесс усиления каскадом заключается в преобразовании энергии источника напряжения Е_к с помощью транзистора в энергию выходного сигнала. Управление этим процессом происходит маломощным входным сигналом, который, воздействуя на базу транзистора, позволяет получить более мощный входной сигнал. Таким образом, выходной сигнал является функцией входного сигнала:

U_вых=f(U_вх),

где U_вых – напряжение выходного сигнала;

U_вх – напряжение входного сигнала

Усилительный каскад на транзисторе изображен на рис. 1, транзистор типа «п-р-п» включен по схеме с общим эмиттером.

Рис.1

Здесь Е_к – источник питания. В цепь коллектора включен резистор R_k. Этим резистором определяется максимально возможный ток коллекторной цепи, когда транзистор открыт. Резистор R_б, включенный между источником Е_к и базой транзистора, обеспечивает работу транзистора в режиме покоя, т.е. по постоянному току. Источник входного сигнала подключается к цепи базы транзистора через разделительный конденсатор С₁. Конденсатор С₁ исключает связь усилительного каскада с источником входного сигнала по постоянному току. На выходе усилительного каскада резистор нагрузки R_н подключен к цепи коллектора транзистора через конденсатор связи. Этим исключается поступление постоянного тока в нагрузку. На нагрузку воздействует только полезная переменная составляющего сигнала. Нормальная работа усилительного каскада, т.е. передача сигнала с заданным усилением и без искажений и помех, зависит от следующих факторов:

Правильного установления режима покоя или правильного выбора рабочей точки транзистора;

Обеспечения стабильности положения рабочей точки режима покоя;

Ограничения амплитуды входного сигнала, обеспечения работы усилительного каскада в линейной области передачи;

Частотного диапазона, в котором обеспечивается постоянство усиления передаваемого сигнала.

Определение положения рабочей точки и параметров режима покоя и удобнее проводить с помощью графиков: семейства выходных характеристик

I_к= f(U_к), при I_б= const, (где I_к – ток коллекторной цепи, U_к – напряжение коллектор-эмиттер) и нагрузочной характеристики I_к= f(U_Rк), где U_Rк – падение напряжения на сопротивлении R_k. Такие графики изображены на рис.2.

В режиме покоя параметры: ток коллекторной цепи _, напряжение на коллекторе , ток цепи базы – определяют рабочую точку А на нагрузочной характеристике.

Ток цепи базы определяется как == Е_к/h₁₁+R_б,

где – ток цепи базы в режиме покоя;

h₁₁ – входное сопротивление транзистора;

R_б – резистор цепи базы.

Ток цепи коллектора в режиме покоя: = h_21э

h_21э – коэффициент усиления по току.

Напряжение на коллекторе транзистора в режиме покоя: = Е_к- * R_к

Недостатком транзисторов является зависимость параметров транзистора от температуры окружающей среды и саморазогрева при прохождении тока. Чтобы уменьшить влияние температуры на работу усилительного каскада, необходимо усложнение схемы:

В цепь базы вводится дополнительный резистор, включенный параллельно переходу «эмиттер-база»;

В цепь эмиттера включается стабилизирующая цепочка RС.

Электрическая схема усилительного каскада с включенными дополнительными элементами стабилизации рабочей точки режима покоя изображена на рис. 3.

Рис.3

Дополнительный резистор R_э шунтирует сопротивление перехода «эмиттер-база», тем самым ослабляет влияние изменение сопротивления перехода от температуры. Эмиттерный резистор, как элемент токовой отрицательной обратной связи, обеспечивает постоянство напряжения «эмиттер-база». Но он уменьшает коэффициент усиления каскада, что нежелательно. Для восстановления коэффициента передачи по переменному току, параллельно резистору R_э включают конденсатор. Величина R_э порядка сотен Ом. Величину емкости эмиттерного конденсатора выбирают таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого сигнала сопротивление Х_с=1/ωС_э было много меньше сопротивления R_э.

Важнейшей характеристикой усилительного каскада является коэффициент передачи (усиления) по напряжению, равный:

где К_и – коэффициент усиления по напряжению;

U_{вых. т} – амплитудное значение выходного напряжения;

U_{вх. т} – амплитудное значение входного напряжения.

Если выходное и входное напряжения являются гармоническими, то коэффициент усиления можно определить как отношение действующих значение этих напряжений:

При больших напряжениях входного сигнала выходной сигнал будет иметь большие искажения – это объясняется работой транзистора в области насыщения и нарушением линейной зависимости между входным и выходным напряжениями. Для определения линейной области работы усилительного каскада пользуются амплитудной характеристикой – зависимостью выходного напряжения от входного U_вых=f(U_вх).

График типовой амплитудной характеристики представлен на рис.4.

Рис.4

Для оценки работы усилительного каскада на разных частотах применяют амплитудно-частотную характеристику, выражающую зависимость К_и(ω) АЧХ, или логарифмическую амплитудно-частотную характеристику, выражающую зависимость логарифмического коэффициента усиления по напряжению от частоты ЛАЧХ К_и[дБ]/(f)

Типовая амплитудно-частотная характеристика приведена на рис.5

Рис.5

Снижение коэффициента в областях низких и высоких частот называется частотными искажениями. Величина (ω_в-ω_н)=П называется полосой пропускания усилительного каскада. Уровень оценки полосы пропускания определяется уровнем допустимых искажений – К₀/√2. или на 3 децибела.

Порядок выполнения работы:

1. Определить рабочую точку транзистора в режиме покоя и параметры режима покоя.

1). Открыть файл lab5\5_1.ewb. со схемой, изображенной на рис.1. Включить схему

2). Записать показания вольтметров, вольтметр U_b показывает напряжение «база-эмиттер», вольтметр U_out – напряжение выхода.

3). По показаниям вольтметров определить рабочую точку транзистора усилительного каскада в режиме покоя:

· Построить нагрузочную характеристику без учета резистора R₃=R_э по двум точкам: на оси U_k определить точку 1: Е=15В; на оси I_k точку 2: I_k=Е_к/(R₄+R_к). Точки соединить прямой линией. Нагрузочную характеристику построить, используя график выходных характеристик биполярного транзистора, построенный в лабораторной работе №1.

· На расчетной характеристике определить рабочую точку А_р, для чего на оси U_k отложить напряжение U_kп=U_out, из этой точки провести вертикальную прямую до пересечения с нагрузочной прямой, определить ток для данной точки.

_· Вычислить ток коллекторной цепи с учетом R_э=R₃

=(Е_к- U_out)/(R₄+R_к)

· построить истинную нагрузочную характеристику с учетом резистора R_э: на поле графика найти точку А (U_out, ), соединить прямой линией точку 1 и точку А.

· Вычислить ток цепи базы в режиме покоя:

_· = - , =U_out/R_э

2. Снять амплитудную характеристику усилительного каскада на частоте f=1000Гц

1). Открыть файл lab5\5_2.ewb. со схемой, изображенной на рис.3. Включить схему

2). Регулировкой на входе задавать различные напряжения в соответствии с таблицей 1, для каждого значения U_in определить соответствующее U_out, результаты записать в таблицу 1.

Внимание: Понаблюдайте за осциллограммой, она с неизменной амплитудой опускается вниз по оси Y. Следовательно, для получения правильных данных, при появлении значащих цифр на приборах, нажимайте паузу и только после этого записывайте показания.

табл.1

№
Е	0,5		1,5		2,5		3,5
Uin,,В
Uout,В

3). По результатам замеров построить амплитудную характеристику усилительного каскада, отметить линейный участок характеристики и определить максимальное входное напряжение.

4). Вычислить коэффициент передачи среднее по всем показаниям, для соответствующего варианту значения

5). Наблюдать на осциллографе входной и выходной сигнал, зарисовать их.

6).Добавить параллельно эмиттеру конденсатор соответствующей заданному варианту емкости (см.табл. 2), повторить действия пунктов 2, 3, 4 и 5.

табл. 2

№
С,мкФ

3. Снять амплитудно-частотную характеристику усилительного каскада и определить полосу пропускания.

1). Открыть файл lab5\5_2.ewb. со схемой, изображенной на рис.8. Включить схему

1). Установить U_in=0.3В, в соответствии с таблицей 3 изменять значение частоты, для каждой частоты измерять по вольтметру (начальное значение) величину напряжения на выходе U_out.

Табл.3

f, Гц
Uout, В
f, КГц
Uout, В

2). По результатам замеров построить логарифмическую амплитудно-частотную характеристику, для чего определить коэффициент усиления, перевести его в децибелы, полосу частот построить в логифмической шкале и определить полосу пропускания усилительного каскада.

Содержание отчета

1. Цель работы

2. Исследуемые схемы

3. Таблицы расчетов

4. График с нагрузочной прямой идеальной и реальной

5. Осциллограммы входных и выходных напряжений

6. Амплитудная характеристика и коэффициенты усиления для двух схем

7. Амплитудно-частотная характеристика и полоса пропускания.

Контрольные вопросы

1. За счет чего достигается усиление каскада

2. Элементы схемы, влияющие на положение рабочей точки

3. Параметры, определяющие режим покоя транзистора

4. Объясните необходимость конденсаторов на входе и выходе усилительного каскада

5. Определение амплитудной характеристики

6. Определение амплитудно-частотной характеристики и полосы пропускания.

Дата добавления: 2015-06-04