Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

в области нижних частот -поведение h1(t) в области больших времен. Рассмотрим их отдельно. Для малых времен (t << τн),

h1(t)= е-t/τн - е-t/τв≈1- е-t/τв,

откуда время нарастания фронта равно tф= t2- t1=2,2τв. Таким образом, чем меньше постоянная времени τв (чем меньше емкости переходов, паразитные емкости и RК транзистора), тем шире полоса пропускания усилителя и тем меньше искажения фронта импульса (фронт становится круче).

Для больших времен (t >>τв), соответствующих времени прохождения вершины импульса, можно записать:

h1(t)= е-t/τн ≈1 - t/τн,

откуда относительный спад вершины импульса ∆=∆U/U0 на момент его окончания оценивается как

∆=[1- h1(τн)]= tu /τн= tuωн,

т.е. чем больше τн (чем больше разделительная емкость Ср и R/ Н), тем меньше искажение вершины импульса.

Подводя итоги можно сказать, что реальный усилитель может заменяться дифференцирующей или интегрирующей цепью в зависимости от того, на каких частотах она работает. В самом деле, идеальный прямоугольный импульс можно представить как резкие скачки напряжения, чередующиеся напряжением постоянного уровня. Фронт скачка составлен в основном высокочастотными гармониками спектра. На коэффициент передачи этих гармоник влияют малые емкости p-n переходов, а также паразитные и монтажные емкости, подключенные параллельно выходу усилителя. Емкости переходов также пересчитываются (по высокой частоте) на выход. Таким образом, для высоких частот усилитель заменяется эквивалентной интегрирующей цепочкой, переходная характеристика которой h1(t)=1-е-t/τв. Плоская же вершина импульса составлена низкочастотными гармониками спектра, на коэффициент передачи которых влияют

91

разделительные емкости. Эти емкости подключены к выходу последовательно и с сопротивлением нагрузки образуют эквивалентную дифференцирующую цепочку усилителя на низких частотах. Переходная характеристика дифференцирующей цепочки h1(t)= е-tu/τн. Если подать на вход прямоугольный импульс, то проявятся как интегрирующие, так и дифференцирующие свойства усилителя (см.рис.15). Следовательно, возможны три различных случая:

tu << τн – интегрирование;

τн <<tu<<τв – неискаженное воспроизведение;

tu >>τв – дифференцирование.

Итак, для уменьшения искажений фронта импульса необходимо расширять полосу пропускания частот усилителя в сторону высоких частот (малое τв). Для уменьшения искажений плоской части импульса следует расширять полосу пропускания в область низких частот (большое τн). Импульсные усилители усиливают колебания от единиц Гц до сотен МГц. Такую полосу пропускания частот имеют, например, усилители в электронных осциллографах, применяемых для наблюдения импульсных колебаний наносекундной длительности.

3.Порядок выполнения работы

3.1.Принадлежности к работе

3.1.1.Лабораторный макет усилительного каскада на транзисторе.

3.1.2.Вольтметр универсальный цифровой типа В7 –16А.

3.1.3.Измерительные генераторы синусоидальных сигналов типа Г3-112.

3.1.4.Генератор прямоугольных сигналов типа Г5-56, Г5-54.

3.1.5.Универсальный осциллограф С1-70.

Схема лабораторного макета приведена на рис.16. Усилитель построен на транзисторе МП-42А. В макете предусмотрена возможность изменения величин разделительных конденсаторов во входной и выходной цепях и блокирующего конденсатора в

92

эмиттерной цепи. Сопротивление источника входных сигналов Rr и сопротивления нагрузки RН имитируется набором резисторов.

Рис.16 RCкаскад на транзисторе, лабораторный макет

3.2.Рабочее задание

3.2.1.Измерить режим по постоянному току.

3.2.2.С помощью осциллографа определить динамический диапазон по входу усилительного каскада.

3.2.3.Снять зависимость Кu(RН) при Rr=1,5 КОм, СЭ=20,0 ,

Ср1=20,0 , Ср2=20,0.

3.2.4.Снять зависимость Кu(Rr) при RН=100 КОм, СЭ=20,0 ,

Ср1=1,0 , Ср2=1,0.

3.2.5.Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя

при двух разных значениях емкости Ср1 или Ср2.

3.2.6.Отключить СЭ. Определить коэффициент усиления Кu в точке К и коэффициент передачи сигнала в точке А.

3.2.7.Подать прямоугольный сигнал. Зарисовать форму сигнала. Измерить амплитуду, длительность, время нарастания, спад вершины входного и выходного импульсов при трех значениях емкости СЭ.

3.2.8.Снять зависимость спада вершины от длительности входного сигнала tu.

4.Отчет

Вотчете о проделанной работе должны быть краткий конспект по теории простейшего усилителя, принципиальная и

93

эквивалентная схема. По всем пунктам рабочего задания должны быть приведены соответствующие таблицы и графики. Интерпретация результатов измерений и полученных графиков зависимостей, а также их сравнение с теоретическими представлениями.

5.Контрольные вопросы

5.1.Дайте определение электронного усилителя. По каким признакам классифицируют усилители?

5.2.Нарисуйте принципиальную схему классического апериодического усилителя. Объясните назначение элементов в схеме апериодического усилителя.

5.3.В каких случаях усилитель можно представить линейным четырехполюсником? Что такое амплитудная характеристика усилителя, динамический диапазон? Основные параметры усилительного каскада.

5.4.Как нужно выбирать сопротивление делителя в базовой

цепи?

5.5.Что понимается под режимом работы транзистора по постоянному току?

5.6.Объясните механизм обеспечения термостабилизации рабочей точки.

5.7.Постройте эквивалентную схему каскада через h- параметры транзистора.

5.8.Постройте эквивалентную схему каскада через h- параметры транзистора.

5.9.Постройте физическую Т-образную эквивалентную схему транзистора.

5.10.Почему в усилителе уменьшается усиление на низких частотах? На высоких частотах?

5.11.Дайте определение переходной и импульсной характеристике.

5.12.Какие искажения появляются на выходе при подаче прямоугольного импульса? Отчего зависят линейные нелинейные искажения?

5.13.Нарисуйте кривую АЧХ для всего диапазона рабочих частот и объясните ее вид.

94

5.14.Дайте сравнительный анализ достоинств и недостатков трех схем включения транзистора : ОБ, ОЭ, ОК.

5.15.Как расширить полосу пропускания усилителя в сторону низших и высших частот?

5.16.От чего зависит длительность фронта выходного импульса? Величина спада плоской части выходного импульса?

5.17.Почему в усилителе проявляются как интегрирующие, так и дифференцирующие свойства при прохождении импульса?

6.Литература

6.1.Манаев В.И. Основы радиоэлектроники.- Радио и связь, М.,

1990. -512 с.

6.2.Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от элементов до устройств. Радио и связь. - М., 1993.- 352 с.

6.3.Основы радиоэлектроники/ Под ред.- Г.Д.Петрухина,

МАИ.- М., 1993.- 416 с.

6.4.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний. М., 2000.- 488 с.

6.5.Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники.- М.: Высшая школа, 1988.- 464 с.

6.6.Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы.- М.:Лайт ЛТД, 2000.- 415 с.

6.7.Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники.- М.: Высшая школа, 2000.- 399 с.

95

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИТТЕРНОГО ПОВТОРИТЕЛЯ

1. Цель работы

Изучение основных параметров и характеристик эмиттерного повторителя

2. Теоретические сведения

Эмиттерным повторителем называют усилитель со 100% - ной отрицательной обратной связью по напряжению с коэффициентом усиления близким к единице, но всегда меньше ее, не меняющие полярность входного сигнала и обладающие повышенным входным и пониженным выходным сопротивлениями. Классическая схема эмиттерного повторителя показана на рис.1а, а его малосигнальная эквивалентная схема для средних частот на рис.1б.

Выходное напряжение снимается с эмиттера, а в цепи коллектора нет резистора. Из рисунков видно, что если Rr близко к нулю, то напряжение генератора или Uвх равно Uвых с

96

вычетом малого падения напряжения на базе и эмиттерном переходе. Т.е. можно написать (с учетом Rr):

Uвх - IБ(rБ+Rr)- IЭrЭ=Uвых,

где Uвых=IЭRЭ и IБ=(1-α)IЭ. Напомним, что α=∆IК/∆IЭ≈h21Б – дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока.

Из этого соотношения найдем IЭ= Uвых / RЭ. Затем выразим Uвых через Uвх:

В результате коэффициент передачи запишется

Например, если Rr=0, RЭ=5 Ком, rЭ=25 Ом и β=100, то К≈0,995; если Rr=2 КОм, то К≈0,991. Напомним, что β==∆IК/∆IБ≈h21Э – дифференциальный коэффициент передачи тока базы, а α= β/ β+1. при подключении внешней нагрузки RН сопротивление RЭ заменяется на RЭ║ RН.

Несмотря на единичный коэффициент передачи напряжения, повторитель относится к классу усилителей, поскольку он усиливает ток, а значит и мощность. Это ясно из того, что между выходным (эмиттерным) и входным (базовым) токами существует хорошо известное соотношение

IЭ=( β+1) IБ ,

где β>>1, т.е. К= IЭ/ IБ= β+1.

97

Входное сопротивление определяется также как и в простейшем усилителе

rБ ( 1)(rЭ RЭ )

Если пренебречь rЭ и rБ,, то

Входное сопротивление можно увеличить практически не изменяя коэффициентов передачи. На практике для повышения Rвх используют либо источник тока в эмиттерной цепи, либо составной транзистор. Если источник тока идеальный (Ri=∞), то Rвх=∞. На самом же деле Rвх имеет конечное значение, обусловленное сопротивлением коллекторного перехода. Тогда

Rвхmax=rК. При токе IЭ=1 мA значение rК составляет 2-3 МОм. При конечном значении Ri входное сопротивление можно

оценить как параллельное соединение rК и (β+1)Ri.

Выходное сопротивление найдем из общего определения, приведенной в предыдущей работе:

U вых xx .

I вых кз

Положим сначала RН=∞ (рис.1б), тогда (UВЫХ)ХХ=КUВХ, где К коэффициент усиления (1). Затем положим RН=0, т.е.

закоротим RЭ по переменному току. Тогда

RЭ [rЭ (1 )(rБ Rr )]

98

Пренебрегая некоторыми мало существенными величинами на практике можно пользоваться упрощенным выражением

Нужно сказать, что у повторителя отношение входного и выходного сопротивления несравненно больше, чем у простейшего усилительного каскада, у которых это отношение не превышает β+1~100.

UВХmax /UВХmin= rK /rЭ~50000.

В связи с большим различием входного и выходного сопротивлений повторитель широко используют в качестве буферного каскада – так называемого трансформатора сопротивлений. Повторитель позволяет улучшить передачу сигнала на высоких частотах и расширить полосу пропускания. Согласовывает высокоомный выход источника сигнала с низкоомной нагрузкой, например, выход фотоумножителя со входом низкоомного (~75 Ом) коаксиального кабеля. Частотные и переходные характеристики повторителя в области низких частот в принципе не отличаются от характеристик каскада с ОЭ. Как отмечалось выше (при рассмотрении каскада с ОЭ) полоса пропускания усилительного каскада определяется двумя его постоянными времени – переходной τн и нагрузочной τв цепей, которые определяют нижнюю и верхнюю граничные частоты. Для расширения полосы пропускания нужно увеличить τн и уменьшить τв. Для нахождения частотной характеристики повторителей напряжения в области высших частот воспользуемся упрощенной эквивалентной схемой (рис.2)

Рис.2 Эквивалентная схема в области высших частот

99

Эта схема аналогична эквивалентной схеме усилительного каскада без обратной связи для тех же частот. Но в отличии от усилителей без обратной связи величина ее постоянной времени:

τв=( R ВЫХ║ RН)С≈ R ВЫХС≈ rЭС

оказывается очень малой из-за небольшой величины выходного сопротивления и малой емкости. Это говорит о том, что верхняя граничная частота повторителей напряжения очень велика. В сторону нижних частот τн достаточно большая из-за большого входного сопротивления повторителя. Коэффициент усиления в широком диапазоне частот в области высших и низших частот имеют довольно сложную зависимость, описываемой громоздкой и мало наглядным выражением и поэтому ее аналитическая формула здесь не приводится.

3.Порядок выполнения работы

3.1.Принадлежности к работе

3.1.1.Лабораторный макет эмиттерного повторителя.

3.1.2.Вольтметр универсальный цифровой типа В7 –16А.

3.1.3.Измерительные генераторы синусоидальных сигналов типа Г3-112.

3.1.4.Генератор прямоугольных сигналов типа Г5-56, Г5-54.

3.1.5.Универсальный осциллограф типа С1-70.

Рис.3 Эмиттерный повторитель, лабораторный макет

100