Дослідження багатокаскадних транзисторних і інтегральних підсилювачів змінного струму

Лабораторна робота №2

Поясніть ефект підсилення транзистора.

Поясніть вплив опору навантаження на значення вихідної напруги каскадів з СЕ і з СК.

Поясніть зміну фази вихідного сигналу відносно вхідного у каскаді з СЕ і відсутність такого ефекту у каскаді з СК.

Нарисуйте схему підсилюючого каскаду з СК та поясніть призначення елементів.

Нарисуйте схему підсилюючого каскаду з СЕ та поясніть призначення елементів.

За динамічною характеристикою підсилюючого каскаду з СЕ пояснить режими його роботи.

За заданими викладачем значеннями ЕК і RК на сім’ї вихідних характеристик біполярного транзистора побудуйте лінію навантаження за постійним струмом і вкажіть режими роботи транзистора.

Поясніть принцип дії польового транзистора з ізольованим затвором.

Пояснить принцип дії польового транзистора з керуючим р-n переходом.

Пояснить принцип роботи біполярного транзистора. нарисуйте умовні позначення біполярних транзисторів різного типу.

Контрольні запитання

ЛІТЕРАТУРА

1. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с. - розділ 1. пп. 2.4, 2.5, розділ 3.

2. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с. (та інші видання цього посібника) – роз-діл 1, пп. 2.4, 2.5, розділ 3.

3. Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. Основы промышленной електроники. – К.: Вища школа, 1985, с. 24-45, 109-124.

4. Забродин Ю. С. Промышленная електроника. – М.: Высш. школа, с. 42-73, 89-112.

5. Горбачов Г.И., Чаплыгин Е.Е. Промышленная електроника. – М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 20-33, 49-63, 71-76.

6. Красько А.С., Скачко К.Г. Промышленная електроника. – Минск: Вышейшая школа, 1984, с. 26-51, 108-116.

1. МЕТА РОБОТИ

1) Вивчення параметрів і характеристик багатокаскадних підсилювачів змінного струму на біполярних транзисторах і інтегральних мікросхемах.

2) Дослідження впливу негативних зворотних зв’язків (НЗЗ) і ємності конденсаторів зв’язку на параметри і характеристики підсилювачів.

2. УСТАТКУВАННЯ

1) Стенд лабораторний № 2, 4.

2) Мультиметр ВР11.

3) Генератор сигналів Г3-34.

4) Осцилограф С1-93 (С1-83).

3. ЗМІСТ РОБОТИ

1) Дослідити властивості одиночного підсилюючого каскаду на біполярних транзисторах без НЗЗ і з НЗЗ за змінним струмом.

2) Дослідити властивості двокаскадного підсилювача на біполярних транзисторах без НЗЗ і з комбінованим НЗЗ за різних значень ємності конденсаторів зв’язку.

3) Дослідити властивості двокаскадного підсилювача на інтегральних мікросхемах (ІМС).

4. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

4.1. Ознайомитись з робочим місцем, устаткуванням і приладами.

4.2. Ввімкнути вимірювальні прилади та живлення стенда лабораторного. Тумблер у середній частині лицьової панелі стенда (між мнемосхемами) встановити у ліве положення.

4.3. Дослідження властивостей

одиночного підсилюючого каскаду на біполярних транзисторах

4.3.1. Дослідження одиночного підсилюючого каскаду з СЕ у режимі класу А виконувати за допомогою схеми, зображеної на рис. 2.1 (верхня мнемосхема на лівій половині лицьової панелі стенда лабораторного).

Рис. 2.1– Схема для дослідження підсилювачів на біполярних транзисторах

Задати частоту вхідного сигналу підсилювача рівною 1000 Гц, для чого:

1) підімкнути вихід генератора сигналів Г3-34 до входу підсилювача (до клем X1 і „^”);

2) перемикач SА3 встановити у натиснуте положення – до виходу першого каскаду підсилювача підімкнеться навантаження R₅ (світиться сигнальна лампа „ 1 ”);

3) перемикач SА1 встановити у ненатиснуте положення (світиться лампа „ С3 ”), а SА2 – у натиснуте (відключається НЗЗ);

4) встановити межу вимірювання мультиметра „ V~ ”, „ 2 ” і підімкнути його до виходу першого каскаду підсилювача (клеми Х2 і „^”);

5) встановити на світній шкалі генератора сигналів межу „ 100 mV, 300 mV, 1V, 0 dВ ”; перемикач „ Пределы шкал. Ослабление ” встановити у положення „ АТТ. ”; ручку „ Рег. выхода ” встановити у граничне ліве положення; перемикач масштабу частоти „х 1, х 10, х 100 ” встановити у положення „х 10 ”; на шкалі частоти ручкою плавного регулювання частоти генератора виставити значення „ 100 ”.

4.3.2. Зняти амплітудну характеристику U_вих = f(U_вх) однокаскадного підсилювача без НЗЗ, для чого, обертаючи за годинниковою стрілкою ручку генератора “ Рег. выхода ”, задавати необхідні значення вхідної напруги підсилювача за вольтметром генератора (переводячи в міру необхідності перемикач світної шкали генератора у наступні положення за годинниковою стрілкою) і фіксувати відповідні значення вихідної напруги підсилювача за мультиметром.

Результати вимірів занести у табл. 2.1.

Таблиця 2.1 - Результати зняття даних для побудови

амплітудної характеристики за f_вх = 1000 Гц

Uвх, мВ

Вид підсилювача

Uвих, мВ

без НЗЗ

Одно-каскад-ний транзистор-ний

з НЗЗ

без НЗЗ

*) Дво- каскад-ний транзистор-ний

з НЗЗ

-

**) Дво- каскад-ний на ІМС

^*) Заповнюється при виконанні пп. 4.4;

^**) Заповнюється при виконанні пп. 4.5.

4.3.3. Зняти амплітудну характеристику однокаскадного підсилювача з НЗЗ за струмом, для чого перемикач SA2 встановити у ненатиснуте положення (світиться сигнальна лампа „ ООС ”).

Далі методика виконання та ж, що й у пп. 4.3.2.

4.3.4. Зняти осцилограми роботи одиночного підсилюючого каскаду за наявності вхідного сигналу і у режимі спокою (без вхідного сигналу).

4.3.4.1. Задати значення напруги вхідного сигналу підсилювача рівним 100 мВ (відповідно до методики, викладеної у пп. 4.3.2).

4.3.4.2. Підімкнути вимірювальний кабель першого каналу осцилографа до клем Х1 і „^” та зарисувати осцилограму вхідної напруги каскаду u_вх.

4.3.4.3. Підімкнути вимірювальний кабель другого каналу осцилографа нульовим провідником до клеми „^”. Сигнальний провідник підмикати по черзі до клем Б, К та Х2 і, керуючись даними рис. 1.12, зарисовувати осцилограми напруг на базі та колекторі транзистора VT1 і на навантаженні каскаду за наявності вхідного сигналу: u_Б, u_К та u_вих відповідно, та за відсутності вхідного сигналу (для чого треба відімкнути генератор від клеми Х1): U_0Б та U_0К. Також зарисувати осцилограму напруги на клемі Е_К.

Збільшити значення вхідної напруги підсилювача до появи помітних викривлень форми вихідного сигналу. зарисовувати осцилограми напруг на базі та колекторі транзистора VT1 і на навантаженні каскаду: u_Б, u_К та u_вих.

При виконанні дослідів органи керування осцилографа встановлювати у положення, що забезпечують спостереження стійкого, зручного для вимірів зображення.

4.4. Дослідження властивостей

двокаскадного підсилювача на біполярних транзисторах

4.4.1. Дослідження виконувати за методикою, викладеною у пп. 4.3.1, тільки перемикач SА3 необхідно встановити у ненатиснуте положення (світиться сигнальна лампа „ 2 ”), а мультиметр підімкнути до виходу другого каскаду – клеми Х3 і ”^”.

4.4.2. Зняти амплітудну характеристику двокаскадного підсилювача без НЗЗ за методикою пп. 4.3.2.

4.4.3. Зняти амплітудну характеристику двокаскадного підсилювача з комбінованою НЗЗ (за струмом і за напругою) за методикою пп. 4.3.3.

4.4.4. Зняти амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) підсилювача U_вих = f(U_вх):

1) без НЗЗ (SА2 у натиснутому положенні) і при ємності конденсатора зв'язку С_р = С₂ = 0,5 мкф (SА1 у натиснутому положенні);

2) без НЗЗ і при ємності С_р = С_З = 20 мкф (SА1 у ненатиснутому положенні);

3) з НЗЗ (SА2 у ненатиснутому положенні) і при С_р = С₂ = 0,5 мкф (SА1 у натиснутому положенні);

4) з НЗЗ і при С_р = С_З = 20 мкф (SА1 у ненатиснутому положенні).

значення напруги вхідного сигналу підсилювача ручкою „ Рег. вихода ” генератора задати рівним 50 мВ (або 70, 100 – на вибір) згідно до методики, викладеної у пп. 4.3.1.

Необхідні значення частоти вхідного сигналу підсилювача задавати ручкою плавного регулювання частоти генератора за шкалою і за допомогою перемикача масштабу частоти „х 1, х 10, х 100 ”.

Результати вимірів занести у табл. 2.2.

Таблиця 2.2 - Результати зняття даних для побудови АЧХ за U_вх = const

fвх, Гц

10^3

2 х10^3

х10^3

х10^3

х10^3

х10^3

Вид підсилювача

Uвих, в

без НЗЗ

С2*)

Дво-каскадний транзисторний

С3*)

з НЗЗ

С2

С3

-

-

**) Дво-каскадний на ІМС

^*) С₂ = 0,5 мкФ; С₃ = 20 мкФ.

^**) Заповнюється при виконанні пп. 4.5

4.5. Дослідження двокаскадного підсилювача на ІМС

4.5.1. Дослідження властивостей підсилювача на ІМС робити за схемою, наведеною на рис. 2.2 (нижня мнемосхема на лівій половині лицьової панелі стенда лабораторного).

Вихід генератора підімкнути до входу підсилювача на ІМС – до клем X1 і „ ”.

Рис. 2.2– Схема для дослідження підсилювача на ІМС

Задати частоту вхідного сигналу підсилювача рівною 1000 Гц відповідно до методики, викладеної у пп. 4.3.1.

Ручкою „ Рег. выхода ” задати значення вхідної напруги підсилювача рівною 10 мВ.

Підімкнути мультиметр до виходу першого каскаду підсилювача (клеми Х2 і „ ”) і ручкою резистора R₁ встановити значення вихідної напруги каскаду 50 мВ (60, 70 – на вибір), тобто задати коефіцієнт підсилення рівним 5 (6, 7).

Підімкнути мультиметр до виходу другого каскаду підсилювача (клеми Х3 і „^”) і ручкою резистора R₂ встановити значення вихідної напруги підсилювача 500 мВ (600, 700), тобто задати коефіцієнт підсилення другого каскаду рівним 10, а всього підсилювача – 50 (60, 70).

4.5.2. Зняти амплітудну характеристику U_вих = f(U_вх) двокаскадного підсилювача на ІМС за методикою пп. 4.3.2.

4.5.3. Встановити значення напруги вхідного сигналу підсилювача рівним 30 мВ (40, 50 – на вибір) за методикою пп. 4.4.4.

4.5.4. Зняти залежність U_вих = f(U_вх) двокаскадного підсилювача на ІМС, задаючи необхідні значення частоти за методикою пп. 4.4.5. Результати занести у табл. 2.2.

4.6. Вимкнути прилади і живлення стенда лабораторного.

Навести порядок на робочому місці.

4.7. Обробка результатів експериментів

4.7.1. За даними табл. 2.1 у одній системі координат побудувати графіки амплітудних характеристик. Зробити висновки про характер кривих.

4.7.2. За амплітудними характеристиками визначити динамічний діапазон і коефіцієнт підсилення за напругою кожного підсилювача. Зробити висновок про вплив НЗЗ на ці параметри.

4.7.3. Осцилограми роботи однокаскадного підсилюючого каскаду з СЕ у режимі класу А розмістити одну під одною згідно з рис 1.12.

4.7.4. За даними табл. 2.2 розрахувати значення К_U і занести у табл. 2.3.

4.7.5. За даними табл. 2.2 побудувати у одній системі координат АЧХ підсилювачів K_U = f( lg f_вх). Зробити висновки про характер кривих.

Таблиця 2.3 - Результати розрахунку значень коефіцієнта підсилення

для побудови АЧХ

fвх, Гц

10^3

2 х10^3

х10^3

х10^3

х10^3

х10^3

Вид підсилювача

КU = Uвих / Uвх

без НЗЗ

С2^*)

Дво-каскадний транзисторний

С3*)

з НЗЗ

С2

С3

-

-

Дво-каскадний на ІМС

4.7.6. За АЧХ визначити смугу пропускання кожного підсилювача. Зробити висновок про вплив НЗЗ і ємності конденсатора зв’язку на характеристики підсилювача.

5. ПОЯСНЕННЯ ДО РОБОТИ

Як вже зазначалося у пп. 5.2 лабораторної роботи №1, підсилювач – це пристрій, у якому порівняно малопотужний вхідний сигнал керує передачею значно більшої потужності від джерела живлення в навантаження. Збільшення потужності вхідного сигналу для лінійного підсилювача повинне забезпечуватися без викривлення форми і змін частотного складу.

З транзисторних підсилювачів найбільше поширення знайшли переважно виконані за схемою з СЕ. У наш час поширені підсилювачі на ІМС.

Найпростіший підсилюючий вузол називають підсилюючим каскадом.

Найважливішим параметром підсилювача є коефіцієнт підсилення – відношення напруги (струму, потужності) на виході підсилювача до напруги (струму, потужності) на вході (відповідно, коефіцієнт підсилення за напругою К_U, за струмом К_І, за потужністю К_Р). Він показує ступінь збільшення вихідного сигналу у порівнянні з вхідним. У ідеального лінійного підсилювача коефіцієнт підсилення повинен мати постійне значення незалежно від значень напруги і частоти вхідного сигналу.

Коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення ввімкнутих послідовно каскадів.

Рис. 2.3 - Амплітудна характеристика підсилювача U_вих = f (U_вх)

Основними характеристиками підсилювача є амплітудна й амплітудно-частотна характеристики.

Амплітудна характеристика показує залежність U_вих = f(U_вх) на деякій постійній частоті.

У реального підсилювача ця характеристика має вигляд, наведений на рис. 2.3.

У робочому діапазоні значень напруги від U_{вх min} до U_{вх max} характеристика лінійна.

У зоні від 0 до U_{вх min} напруга на виході визначається власними шумами підсилювача, викликаними, наприклад, пульсаціями напруги живлення, неоднорідністю структури елементів. Шуми глушать корисний сигнал.

При вхідних напругах більших за U_{вх max} пропорційність між U_вих і U_вх порушується через порушення пропорційної залежності між вхідним і вихідним струмами транзистора (транзистор починає заходити у режими насичення та відтинання). При цьому виникають викривлення вихідного сигналу, що називаються нелінійними. підсилювач входить у режим насичення, коли вихідна напруга не залежить від вхідної. Зауважимо, що необхідно розрізняти режими насичення транзистора (за постійним струмом) і режим насичення підсилювача (за змінним струмом).

Здатність підсилювача підсилювати мінімальне і максимальне значення напруги з дотриманням їхньої пропорційної залежності визначається динамічним діапазоном:

. (2.1)

Рис. 2.4 - АЧХ підсилювача з резистивно-ємнісними зв’язками

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) показує залежність модуля коефіцієнта підсилення підсилювача від частоти. тобто показує, як підсилюються гармонійні складові складного сигналу. Вид АЧХ наведено на рис. 2.4.

Неоднаковість підсилення гармонійних складових веде до частотних викривлень, через які форма складного вихідного сигналу відрізняється від форми вхідного.

Причиною частотних викривлень є елементи підсилювача, опір яких залежить від частоти (ємності, індуктивності). як зосереджені – елементи схеми (на низьких частотах), так і розосереджені – паразитні (на вищих частотах).

За АЧХ можна визначити смугу пропускання підсилювача

(2.2)

що являє собою діапазон частот, у якому коефіцієнт підсилення не відрізняється від максимального К_U0 більш, ніж у раз:

(2.3)

Для підсилення сигналів змінного струму застосовують підсилювачі з резистивно-ємнісними міжкаскадними зв’язками. Схема такого двокаскадного підсилювача наведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5 - Двокаскадний підсилювач з резистивно-ємнісними зв’язками

Наявність конденсаторів у якості елементів міжкаскадного зв’язку (С₂), а також зв’язку з джерелом сигналу (С₁) і навантаженням (С₅) робить режими роботи каскадів за постійним струмом взаємонезалежними, а також виключає їхній вплив на роботу джерела сигналу і навантаження (див. U_0К на рис. 1.9).

У той же час наявність цих конденсаторів веде до зниження коефіцієнта підсилення на нижчих частотах через те, що опір конденсаторів Х_С = 1/2πfC зі зниженням частоти збільшується, а значить зростає падіння напруги на них і, у результаті, менша частка змінної напруги передається у навантаження (або наступний каскад). В області середніх і вищих частот вплив цих конденсаторів незначний.

На вищих частотах паразитні ємності (ємності монтажу і міжелектродні ємності у транзисторах та інших елементах) призводять до шунтування корисного сигналу (замикання частини струму корисного сигналу на загальний провід), а також до виникнення паразитних НЗЗ (наприклад, через ємність колектор-база транзисторів). Все це призводить до зниження коефіцієнта підсилення. Тут також позначається залежність коефіцієнта підсилення транзисторів за струмом β від частоти. Отже необхідно вибирати транзистори з граничною частотою підсилення, що значно перевищує верхню частоту сигналу.

Каскад підсилювача, як правило, має кола, за допомогою яких частина енергії сигналу передається з виходу каскаду на його вхід або на вхід одного з попередніх каскадів – кола зворотного зв’язку.

Ми вже знайомі з НЗЗ за постійним струмом (див. пп. 5.2 у лабораторній роботі №1), що застосовується для температурної стабілізації режиму спокою підсилюючого каскаду.

До речі, наявність конденсаторів С₃ і С₄, що шунтують резистори R₄ і R₈, на нижчих частотах, веде до виникнення НЗЗ за змінним струмом і відповідно до зниження коефіцієнта підсилення.

У роботі досліджується НЗЗ за змінним струмом, що забезпечується відмиканням конденсатора С₄ (див. рис. 2.1), і за напругою – подачею частини вихідної напруги з дільника R₁₀, R₁₁ у коло емітера VТ1 у протифазі до вхідної напруги (див. рис. 2.1).

НЗЗ веде до зниження коефіцієнта підсилення підсилювача:

(2.4)

де X = U_ЗЗ / U_вих – коефіцієнт передачі кола НЗЗ, що показує, яка частина вихідної напруги подається на вхід підсилювача.

Введення НЗЗ, знижуючи коефіцієнт підсилення, у той же час збільшує динамічний і частотний діапазони підсилювача (що видно з його амплітудних і амплітудно-частотних характеристик) та покращує інші його параметри. Так, наприклад, у (1+ К_UХ) раз збільшується вхідний і зменшується вихідний опори підсилювача.

При великому значенні К_U і глибокому НЗЗ, як випливає з (2.4), якщо К_U ® ¥, К_UЗЗ наближається до значення 1/Х. тобто він не залежить від фактичного значення К_U і його змін з коливаннями температури та під дією інших факторів. Отже НЗЗ підвищує стабільність підсилювача.

Наявність позитивного зворотного зв’язку (ПЗЗ), коли сигнал зворотного зв’язку знаходиться у фазі з вхідним, навпроти, погіршує характеристики підсилювача. Виникнення паразитних ПЗЗ через загальні кола живлення каскадів, паразитні ємності й індуктивності може також призводити до самозбудження підсилювача, коли він переходить у режим генерації сигналу деякої частоти.

Виконання підсилювачів у вигляді ІМС, поряд із зменшенням габаритів, значно підвищує їхню якість у порівнянні з підсилювачами на дискретних компонентах. Зокрема, це відбувається за рахунок значного зниження паразитних зворотних зв’язків. Інтегральна технологія дозволяє істотно поліпшити якість і надійність електронних підсилювачів шляхом забезпечення при їхньому проектуванні великого запасу параметрів: так званої функціональної надлишковості.

Дата добавления: 2015-07-02