Обробка результатів досліду

1. За відомими параметрами схеми та рівнем колекторної напруги розрахувати навантажувальну пряму каскаду та накреслити її на сімействі вихідних характеристик транзистора. У відповідності з п. 4, зобразити на навантажувальній прямій положення робочих точок для кожного з досліджуваних класів підсилення.

2. За даними п. 3 обчислити коефіцієнти підсилення каскаду з струму, напруги та потужності. Коефіцієнт підсилення за напругою визначається із співвідношення:

Де U_{m вих}, U_{m вх} – амплітудні значення вхідної та вихідної напруг каскаду.

Коефіцієнт підсилення зі струму можна визначити з виразу:

де U_{m вх}  — амплітудне значення спаду напруги на резисторі R_вх, U_mк – амплітудне значення напруги резистора R_к, U_mвих, - амплітудне значення напруги на R_вих.

Коефіцієнтом підсилення потужності каскаду є добуток:

3. За даними п. 5 побудувати в одній системі координат залежності амплітудного та діючого значень вихідного сигналу від частот. Пояснити їх розбіжність.

4. Зробити висновки за результатами роботи.

Контрольні запитання

1. Пояснити роботу схеми підсилювального каскаду та призначення її елементів.

2. Назвіть існуючі класи підсилення сигналу. Які їх особливості та відмінності?

3. В чому полягає методика розрахунку навантажувальної частоти транзистора підсилювального каскаду?

4. Як визначаються коефіцієнти підсилення каскаду?

Короткі теоретичні відомості

Підсилювальний каскад використовується для попереднього, проміжного або кінцевого підсилення електричного сигналу довільної форми. Його основним елементом є транзистор, який працює в активному режимі. Принцип роботи каскаду та функціональне призначення його елементів взаємопов’язані. Кожен з них виконує певну функцію, що забезпечує потрібний режим роботи в цілому.

Для ознайомлення з роботою каскаду потрібно дати пояснення таким термінам, як точка покою та робоча точка. Точкою покою прийнято називати таку точку на вхідних та вихідних характеристиках транзистора, що визначає його стан при протіканні тільки постійного струму. На рисунку 2 точки покою позначені буквами Р′ та Р. Між ними існує суттєва різниця їх не слід змішувати хоча б тому, що вхідний та вихідний сигнали різко відрізняються за своїм рівнем. Таким чином, положення точки Р визначає постійний струм колектора та падіння напруги на резисторі R_к при певному рівні постійного струму бази. Точка Р завжди знаходиться на лінії навантаження і її положення визначає режим роботи транзистора. Таких режимів три. Це насичення, відсічки та активний. В активному режимі транзистор є керованим елементом, тобто, його опір змінюється під впливом вхідного сигналу. В режимі насичення та відсічки транзистор є некерованим і його опір практично не залежить від вхідного сигналу.

На рис. 2 вони позначені відповідними написами.

Рисунок 2.

Робочою точкою слід вважати миттєве положення точки покою під впливом змінної складової вхідного сигналу. Причому, слід пам’ятати, що зміна вхідного сигналу обов’язково приводить до зміни вихідного, так як між ними існує пряма залежність через коефіцієнт підсилення β транзистора:

І_К= β·І_Б

Робоча точка відображає динаміку зміни опору транзистора, тобто визначає межу коливань його колекторного струму та напруги.

Розглянемо роботу підсилювального каскаду. Положення точки спокою визначається рівнем постійного струму бази І_бо, що встановлюється за допомогою розподілювача напруги R_Д-R_Б-R_Б′.

Рівень базового струму І_бо залежить від опору транзистора R_Б. Тому при зміні останнього точка покою буде пересуватись по лінії навантаження в межах активної зони. При підключенні змінної вхідної напруги U_Вх точка покою Р′ на вхідній характеристиці буде пересуватися в межах і_бmin ≤і_б ≤ і_{б max}. Зміна базового струму призводить до відповідної зміни колекторного струму та напруги. Так як робоча точка пересувається по прямій лінії, між вхідним та вихідним сигналами існує лінійне співвідношення. Тому форма цих сигналів буде співпадати, але амплітуда U_mвх буде значно меншою, ніж U_mвих. Це зрозуміло, тому що вхідне джерело має значно меншу потужність по відношенню до вхідного. Таким чином підсилення вхідного сигналу здійснюється за рахунок перерозподілу напруги вихідного джерела Е_К між опором транзистора, який в межах активної зони змінюється за лінійним законом, та резистора R_К. Це витікає з динамічного рівняння транзистора:

U_КЕ= Е_К-і_К R_К= Е_К- β і_Б R_К (2)

Опір транзистора, змінюючись під дією вхідного сигналу, створює, за рахунок колекторного струму, падіння напруги між колектором та емітером, пропорційне вхідному сигналові. Це падіння значно перевищує напругу між базою та емітером. Те саме співвідношення існує і між струмами бази та колектора, тобто, каскад здійснює також і підсилення струму.

Особливістю роботи підсилювального каскаду є поворот фази вихідної напруги U _ек на кут 180˚, по відношенню до вхідного (див. Рис.2). Пояснюється це тим, що з підвищенням струму бази, тобто, зі зростанням вхідної напруги опір транзистора зменшується, що призводить до зменшення рівня падіння напруги між його емітером та колектором. Тобто, вхідний та вихідний сигнали транзистора коливаються в протифазі.

Вхідна ємність С_ВХ використовується для фільтрації постійної складової базового струму, котра обумовлюється дією вхідного джерела U_вх. Ця складова впливає на положення точки спокою і повинна бути виключена.

Ємність С_ВИХ використовується з тією ж метою, але по відношенню до вихідного сигналу. З її допомогою фільтрується постійна складова напруги U_КЕ.

Резистор R_Е використовується для термічної стабілізації положення точки спокою транзистора. Змінна складова струму протікає через ємність С_{Е ,} а постій ний струм емітера — через резистор R_Е. Падіння напруги на ньому знижує потенціал емітера по відношенню до бази і тим самими змінює рівень постійної складової струму І_КО. Вмикання резистора R_Е призводить до появи від’ємного зворотного зв’язку між вхідним та вихідним сигналами. При зростанні температури транзистора його опір зменшується (особливо це відчутно для базового прошарку) і всі складові струмів зростають. Це призводить до зсуву робочої точки Р вверх по лінії навантаження, і режим роботи транзистора змінюється. Наявність резистора R_Е стабілізує положення цієї точки, так як зростання постійної складової струму І_ОБ знижує потенціал емітера і вхідна напруга U_0ЕБ зменшується. Як наслідок, точка спокою транзистора залишається в заданому положенні і режим роботи каскаду майже не змінюється. Ця обставина дуже важлива, тому що положення точки спокою визначає класи або режими підсилення, яких налічується чотири: А, В, С та АВС.

Режим А характеризується тим, що точка спокою Р вибирається на навантажувальній прямій каскаду посередині активної зони транзистора, як це зображено на рис.3а. Рівень вхідного сигналу в режимі А повинен бути таким, щоб робота підсилювального каскаду відбувалась в межах його активної зони. В такому випадку нелінійні спотворення підсинюваної напруги будуть відсутніми.

Завдяки цьому клас А широко застосовується в каскадах попереднього підсилення. Але він має суттєвий недолік: дуже низький ККД підсилювача, котрий не перевищує 0,5. Тому клас А використовується досить рідко і в більшості випадків каскад за таким режимом працює, як попередній підсилювач напруги, для якого штатний ККД не є визначальним.

Режим В характеризується тим, що точка покою вибирається на межі області відсічки, тобто, на початку динамічної, або перехідної характеристики транзистора (див. Рис 3б). В режимі В змінні складові струму та напруги транзистора виникають лише для додатних напівперіодів вхідної напруги. Якщо вхідна напруга підсилювального каскаду має синусоїдальну форму, то вихідна матиме вигляд імпульсу косинусоїдальної форми, тобто нелінійні спотворення дуже значні. Тому режим В використовують, як правило, у кінцевих каскадах підсилення, що працюють безпосередньо на навантаження.

Рисунок 3.

Клас В характеризується значно вищим ККД порівняно з А, оскільки постійний струм бази в цьому випадку майже дорівнює нулеві. ККД підсилювального каскаду в цьому режимі може досягати 80%.

Інколи використовують проміжний режим роботи підсилювального каскаду. Робоча точка в цьому випадку лежить між А та В (див. Рис 3а). В цьому випадку ККД підсилювача більший, ніж в режимі А, а нелінійні спотворення менші, ніж в режимі В.

Режим С характеризується тим, що робоча точка Р вибирається за межею відсічки і струм в транзисторі виникає на протязі деякої частини додатнього напівперіоду вхідної напруги (див. Рис 3с). В лабораторній роботі такий режим здійснюється шляхом розмикання кола постійного струму бази. Цей режим супроводжується дуже великими нелінійними спотвореннями підсилюваної напруги, але ККД каскаду може бути дуже високим і наближатись до одиниці. Режим С використовується в вибіркових підсилювачах та автогенераторах, які, завдяки присутності коливальних контурів або інших частотно залежних пристроїв, виділяють лише головну гармоніку з несинусоїдної напруги, яка виникає внаслідок великих нелінійних спотворень. Вказаний клас підсилення використовується також у підсилювачах, що формують сигнали спеціальної форми.