ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ № 11
Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах
Цель занятия:практическое ознакомление с особенностью усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ).
4. Электронный осциллограф.
Рекомендуемая литература. 1) курс лекций; 2) (1) стр. 541 — 560; 3) (2) стр. 125 — 150.
1. Для чего служат делители напряжения в цепи базы усилительных
каскадов?
2. Когда происходит искажение выходного сигнала и почему?
3. Почему уменьшается коэффициент усиления на низких частотах?
4. В чем особенность эмиттерного повторителя?
5. Какие выводы можно сделать об усилительном каскаде ОБ?
Краткие теоретические сведения.
Для усиления электрических сигналов, поступающих, например, с датчиков звука, давления, температуры, освещенности или ускорения, широкое применение нашли полупроводниковые усилители. В последнее время они практически заменили электронные усилители благодаря ряду преимуществ: более высокой надежности транзистора по сравнению с электронной лампой, меньшим габаритам и весу, малой потребляемой мощности, более высокому КПД.
Любой усилительный каскад содержит: нелинейный элемент (транзистор, электронная лампа), обладающий семейством управляемых вольт-амперных характеристик (ВАХ); нагрузочный элемент (резистор, трансформатор, индуктивная катушка), включаемый последовательно с нелинейным, и источник питания — как правило источник постоянного напряжения.
Усиление электрических сигналов осуществляется за счет энергии источника питания, которая преобразуется в энергию выходного сигнала, управляющего работой громкоговорителя, реле, измерительного прибора, двигателя и других устройств.
Наиболее распространена схема усилительного каскада с общим эмиттером (рис. 1, а). Схема замещения такого каскада изображена в виде ЭЦ, показанной на рис.1, б. Ее анализ можно провести графически. На рис.2 изображены семейство управляемых ВАХ транзистора Iк=f(UK) при I6 = const, т. е. зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при различных постоянных токах базы, а также линия нагрузки АВ, определяемая сопротивлением RKв цепи коллектора и ЭДС источника питания Ек.Линия нагрузки может быть построена по двум точкам: точке А — режим короткого замыкания (I=Eк/Rк) и точке В — режим холостого хода (Uк= Ек). В соответствии со 2-м правилом Кирхгофа для ЭЦ, показанной на рис. 1, б, Uвых = Ек -IкRк.
Изменение входного сигнала (тока базы) от Ιб = 0 до Iб4 ведет к перемещению рабочей точки Р (точка пересечения ВАХ с линией нагрузки) от В к А, а следовательно, к изменению коллекторного тока от Iк 0 до Iк 4 и выходного напряжения от Uк 0 Екдо Uк 4 0. Таким образом, в схеме усилительного каскада (см. рис.1, а) транзистор Т выполняет роль усилителя входного тока Iб, а резистор Rкслужит для преобразования выходного тока Iк в выходное напряжение Uвых = Uк . При этом увеличению значения входного сигнала (тока базы) соответствует уменьшение выходного напряжения и наоборот, т.е. угол фазового сдвига выходного сигнала относительно входного для схемы с общим эмиттером равен 180°.
Усилитель с общим эмиттером имеет коэффициент усиления по напряжению Кuдо 200, входное сопротивление Rвхсоставляет сотни Ом, выходное сопротивление Rвых— несколько килоОм. Низкое входное сопротивление и высокое выходное затрудняют использование такой схемы при работе с высокоомным источником сигналов и низкоомной нагрузкой.
Для низкоомной нагрузки обычно используют усилительный каскад с общим коллектором (рис.3). Его выходное сопротивление всего лишь несколько десятков Ом, а входное достигает нескольких килоом. Коэффициент усиления каскада близок к единице, фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного. Поэтому усилительный каскад с общим коллектором получил название эмиттерного повторителя.
На рис. 4 приведена схема усилительного каскада и показана форма сигнала в контрольных точках. Для обеспечения линейного режима работы усилителя рабочая точка покоя Р (при Uвх = 0) должна располагаться на середине нагрузочной линии АВ. Фиксация рабочей точки Р возможна за счет введения в схему усилителя базового делителя Rб1—Rб2 , обеспечивающего наличие в цепи базы тока покоя Iб.пок.
Для исключения влияния выходного сопротивления источника сигнала на ток базы покоя во входной цепи усилителя устанавливается разделительный конденсатор Ср1. В то же время для выделения на нагрузке лишь переменной составляющей усиленного сигнала в выходной цепи усилителя устанавливается разделительный конденсатор Ср2.
Один из основных недостатков транзисторных усилителей — существенная зависимость их характеристик от температуры. Это требует применения в усилителе специальных средств и, в первую очередь, введения различного рода обратных связей.
Обратной связью (ОС) называют воздействие части выходного сигнала на вход усилителя. Если сигнал ОС складывается с входным сигналом, увеличивая сигнал, поступающий в усилитель, то обратная связь называется положительной. Если сигнал ОС вычитается из входного сигнала, то обратная связь называется отрицательной.
В усилителях нашла применение лишь отрицательная ОС, так как она позволяет существенно улучшить их свойства, в частности, увеличить стабильность коэффициента усиления при изменении температуры окружающей среды. Наиболее широко используется отрицательная ОС по постоянному току. Для этого в цепь эмиттера включается резистор Rэ. Для исключения ОС по переменной составляющей параллельно резистору Rэ устанавливается конденсатор Сэ, емкостное сопротивление которого Хс>>Rэ.В этом случае конденсатор шунтирует резистор Rэдля переменной составляющей входного сигнала.
Используется также отрицательная ОС по напряжению, когда часть выходного сигнала в противофазе поступает на вход усилителя.
Положительная ОС, наоборот, снижает устойчивость работы усилителя и может привести к возникновению колебаний (самовозбуждению), т.е. превращению усилителя в генератор.
Основным параметром усилителя является его коэффициент усиления.
Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности, которые представляют собой отношение соответственно напряжения, тока и мощности на выходе усилителя к напряжению, току и мощности на его входе:Кu=Uвых/Uвх; Кi=Iвых/Iвх; Кр=Рвых/ Рвых.
Для повышения коэффициента усиления используются многокаскадные усилители с трансформаторной, гальванической или активно-емкостной (R — С) связью между каскадами. Гальваническая (без реактивных элементов) связь используется в усилителях постоянного тока.
В усилителях низкой частоты широко применяется R-С-связь. Коэффициент усиления многокаскадных усилителей равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов: К =К1 К2 К3….
Основными характеристиками усилителя являются амплитудная и частотная.
1. Амплитудная характеристика Uвых=f(Uвх)(рис. 5, а) представляет собой зависимость напряжения на выходе усилителя от напряжения на входе при постоянной частоте.
Она позволяет выделить рабочий диапазон усиливаемых сигналов
ΔUвх=Uвx2- Uвx1
соответствующий участку АВ, на котором искажения формы сигнала отсутствуют.
На участке СА (Uвx<Uвхl)имеют место собственные шумы усилителя, не позволяющие четко выделить на входе усиливаемый сигнал.
Участок BD(Uвx>Uвх2)соответствует работе усилителя в области насыщения транзистора, что приводит к появлению нелинейных искажений в выходном сигнале.
2.Частотная характеристика K=ψ(f) при Uвх=const (рис. 5, б) представляет собой зависимость коэффициента усиления К отчастоты входного сигнала fпри постоянном напряжении на входе(Uвх = const).
Она характеризует частотные свойства усилителя, т.е. способность усиливать сигналы в определенном диапазоне частот, называемым полосой пропускания
Δf=fв - fн, гдеfвиfн — соответственно верхняя и нижняя граничные частоты.
Уменьшение коэффициента усиления на нижних частотах вызвано влиянием разделительных конденсаторов Ср1, Ср2 (см. рис. 4), сопротивление которых на низких частотах велико.
На верхних частотах уменьшение коэффициента усиления происходит вследствие шунтирующего действия паразитных емкостей транзистора и монтажа.
Для удобства построения частотной характеристики значения частот откладывают в логарифмическом масштабе.
Проверка знаний.
1. Какими электрическими параметрами определяется сопротивление RБ резистора на рис.6?
1.Напряжениями ЕК и UБ-Э0.
2. Напряжением UБ-Э0.
3. Током <span lang="EN-US
