2. Дослідження напівпровідникових підсилювальних пристроїв Основні теоретичні положення

У схемах автоматизації підсилювачі вирішують ряд важливих задач – підсилюють потужність малопотужних сигналів з датчиків, задаючих пристроїв, порівнюючих пристроїв; забезпечують підсилення інформаційних сигналів, які передають на відстань та багато інших задач.

З усіх видів підсилювачів виділяємо електричні, а з них – електронні. Таким чином підсилювачем будемо називати електронний пристрій, який забезпечує підсилення потужності сигналу за рахунок енергії джерела живлення.

Стисла класифікація електронних підсилювачів (за декількома ознаками):

• за призначенням: операційні, вимірювальні, для систем автоматики тощо;

• за типом підсилювального елементу: напівпровідникові, лампові, магнітні, електромашинні тощо;

• за характером підсилюємих сигналів: підсилювачі гармонійних сигналів та імпульсні;

• за частотою підсилюємих сигналів: низько - та високочастотні, вибіркові, резонансні, підсилювачі постійного струму;

• за схемою вмикання підсилюємого елементу: для транзисторних - із загальним емітером, із загальною базою, із загальним колектором; для лампових - із загальним анодом, із загальним катодом, із загальною сіткою;

• за кількістю каскадів підсилення: одно - та багатокаскадні;

• за видом зв’язку між каскадами або за типом навантаження: резистивні, ємкісні, трансформаторні, з коливальним контуром тощо.

Структурна схема підсилювального каскаду (рис.8) містить нелінійний керуємий елемент ПЕ (біполярний, польовий транзистор чи мікросхема, резистор R та джерело електричної енергії E). Підсилювальний каскад має вхідний ланцюг, до якого підводиться вхідна напруга U_вх (підсилюємий сигнал) та вихідний ланцюг для отримання вихідної напруги U_вих (підсилений сигнал). Підсилення сигналу за потужністю відбувається за рахунок джерела електричної енергії E. Процес підсилення здійснюють шляхом зміни опору ПЕ, а відповідно і струму у вихідному ланцюгу, під дією вхідного струму або напруги. ПЕ називають активним елементом. Таким чином підсилення засновано на перетворенні електричної енергії джерела постійної ЕРС Е у енергію вихідного сигналу за рахунок зміни опору ПЕ за законом, який задає вхідний сигнал.

Одним з найважливіших параметрів підсилювача є коефіцієнт підсилення. Розрізняють коефіцієнти підсилення по напрузі, по струму та за потужністю.

Коефіцієнт підсилення по напрузі є відношення зміни вихідної напруги до зміни вхідної напруги

(1)

Аналогічно знаходять коефіцієнти підсилення по струму

(2)

та за потужністю

. (3)

У підсилювачів обов’язково коефіцієнт підсилення за потужністю більше 1 (сотні - тисячі), а коефіцієнти підсилення по струму та по напрузі як правило більше, іноді один з коефіцієнтів дорівнює одиниці. Якщо необхідний значно більший коефіцієнт підсилення, ніж такий, який дає один каскад підсилювача, то застосовують багато каскадні підсилювачі, у яких наступний каскад підключений до виходу попереднього (рис.2). Коефіцієнт підсилення такого багатокаскадного підсилювача визначають:

, (4)

де: - сумарний коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача; , , ,..., - коефіцієнти підсилення 1-го, 2-го, 3-го,...,n-го каскадів підсилювача.

Одним з найбільш розповсюджених підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах є каскад із загальним емітером (ЗЕ), схема якого наведена на рис.3.

Напруга джерела живлення сучасних підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах становить одиниці – десятки вольт. Для колекторного кола підсилювального каскаду відповідно до другого закону Кирхгофа можна скласти рівняння електричного стану:

Рис.8. Структурна схема підсилювального каскаду

Рис.9. Структурна схема багатокаскадного підсилювача

Рис.10. Схема електрична принципова підсилювального каскаду на біполярному транзисторі із загальним емітером

, (5)

де: - напруга джерела живлення колектора; - напруга, що спадає на колекторі транзистора (колектор-емітер транзистора); - колекторний струм транзистора; - колекторне навантаження.

Розрахунок підсилювального каскаду можна проводити графічно. Даний спосіб розрахунку підсилювальних каскадів (Рис.11) є достатньо точним та наочним. Для цього на сімействі колекторних характеристик необхідно провести з точки Е_к на осі абсцис вольт-амперну характеристику резистора R_к, що задовольняє рівнянню

(6)

Будувати її зручно за двома точками: перша – з координатами при , друга – з координатами при . Побудовану таким чином характеристику з урахуванням колекторного навантаження називають навантажувальною. Точки перетинання її з колекторними характеристиками дають графічний розв’язок рівняння (5) для даного значення опору R_к та різних значеннях струму бази І_б. За цими точками можна визначити колекторний струм , однаковий для транзистора та резистора R_к, а також напруги U_k та U_Rk. Оскільки вхідні характеристики для різних значень U_k відрізняються несуттєво, то в якості вхідної приймають як правило усереднену вхідну характеристику (рис.4).

Аналіз роботи підсилювального каскаду зручно проводити за допомогою перехідної характеристики , яку будують за точками перетинання навантажувальної характеристики з колекторними.

На рис.4 крім колекторних характеристик наведена вхідна характеристика, розгорнута на , та показано побудування перехідної характеристики. Перехідна характеристика має майже лінійну ділянку ав у межах зміни базового струму від 0 до деякого значення, що залежить від типу транзистора та опору R_к. Виконуючи проекцію цієї ділянки на лінію навантаження та вхідну характеристику, відмічаємо на них відповідні ділянки та .

Опір резистора R_к вибирають виходячи з необхідного підсилення вхідних сигналів, але при цьому слід пам’ятати, що лінія навантаження проходила лівіше або нижче допустимих значень U_Kmax ,I_Kmax. Опір колекторного резистора R_к має значення порядку декількох кОм.

Рис.11. Вхідна та колекторні характеристики біполярного транзистора, а також перехідна характеристики підсилювального каскаду при Е_к =20В та R_к=1кОм

Резистор R_б, ввімкнений у базовий ланцюг, забезпечує необхідну роботу транзистора у режимі спокою, тобто за відсутності вхідного сигналу. Завдяки цьому резистору можна отримати оптимальні значення струму

бази І_Бсп та напруги між базою та емітером U_Бсп, що відповідають середині лінійної ділянки вхідної характеристики. Ця робоча точка (точка n на Рис.4) знаходиться приблизно посередині лінійної ділянки перехідної характеристики, для чого R_б слід обирати:

(7)

Конденсатор С₁ призначений для вмикання джерела змінної вхідної е.р.с. е_вх із внутрішнім опором R_вн у коло бази. За відсутності цього конденсатора у колі джерела вхідного сигналу утворювався б постійний струм від джерела живлення Е_к, який міг би викликати спад напруги на внутрішньому опорі джерела сигналу, змінюючи режим роботи транзистора та викликаючи нагрів джерела сигналу.

Конденсатор С₂ на виході підсилювального каскаду забезпечує виділення з колекторної напруги змінної складової, яка може подаватися на навантаження з опором R_н.

При подачі на вхід підсилювального каскаду змінної напруги U_вх струм бази буде змінюватися у відповідності з вхідною характеристикою, тобто крім постійної складової І_Бсп буде мати змінну складову I_Б. Для вхідної напруги справедливо рівняння

, (8)

де: R_вх – вхідний опір підсилювального каскаду, який приблизно дорівнює вхідному опору транзистора; .

Суттєвим недоліком транзисторів є залежність їх параметрів від температури. У деяких випадках зростання температури може вивести робочу точку за межі лінійної ділянки перехідної характеристики та порушити нормальну роботу підсилювача. Для зменшення впливу температури на характеристику підсилювального какаду із загальним емітером у коло емітера вмикають резистор R_е, шунтуючи його конденсатором С_е. Введення у схему R_е призводить до деякого зменшення коефіцієнта підсилення каскаду. Конденсатор С_е послаблює дію негативного зворотнього зв’язку, за рахунок якого і відбувається деяке зменшення коефіцієнта підсилення каскаду.

Підсилювальні каскади можуть працювати в одному з режимів: А, В, С, АВ. Режими визначаються положенням робочої точки за відсутності вхідного змінного сигналу. Це положення визначається на характеристиках транзистора (рис.12) сукупністю постійних складових струмів та напруг у вихідному колі Іок, Uоке та у вхідному колі Іоб, Uобе.

При роботі транзистора у активному (підсилювальному) режимі А початкове положення робочої точки повинно бути таким, щоб струм через транзистор протікав на протязі усього періоду зміни вхідного сигналу, а амплітудне значення вихідного струму не перевищувало початкового Іо_к. Початкове положення робочої точки забезпечується поділювачем напруги, який складається з резисторів значення яких визначають співвідношеннями:

Rб = (Eк – Uобе - URе)/(Iпод + I об), де І_под = (2...5)Іоб - струм у колі поділювача.

Рис.12. Схема електрична принципова досліджень вхідних та вихідних характеристик біполярного транзистора КТ801А

Порядок виконання роботи з дослідження логічних елементів:

1.Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами

по вивченню логічних елементів, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.

2.Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему досліджень (рис. 3-6).

3.Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4.Встановити вказане значення напруги. Користуючись перемикачами задавати необхідні значення вхідних сигналів та відповідно до таблиці 1 за вихідними сигналами розпізнати логічний елемент.

5.Закінчивши виконання роботи ,вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.

Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.

Порядок виконання роботи з дослідження напівпровідникових підсилювальних пристроїв:

1 .Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню напівпровідникових підсилювальних пристроїв, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.

2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему досліджень (Рисунок 12).

3. Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4. Встановити необхідне значення напруги на колекторі транзистора відповідно до таблиці 1 =5В(10В) за вольтметром РУ 2. За допомогою вольтметра РУ 1 потенціометром К. 1 встановлювати значення напруг на базі транзистора та фіксувати значення базового струму Іб, мА. Дані занести в таблицю 1. Отримавши вхідні характеристики транзистора, побудувати графічні залежності.

5. Аналогічно побудувати вихідні характеристики транзистора - таблиця 2 , вольтметри РУ 1 , РУ 2 ; міліамперметри РА 1, РА 2 ;потенціометри К 1, К. 2 . Закінчивши виконання роботи, вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.

6. На побудованих характеристиках у вказаних точках визначити коефіцієнти підсилення по струму, напрузі, за потужністю .

Таблиця 1

Вхідні характеристики біполярного транзистора

U бе,В		0	0,5	1	1,5	2	2,5
Іб,мА	Uк1=5В
	Uк2=10В

Таблиця 2

Вихідні характеристики біполярного транзистора

U ке,В		0	5	10	15	20
Ік,мА	Uб1=1 В
	Uб2=1,3В

Примітка зафіксувати записати значення базового струму при Uб1=1Вта Uб2=1,3 В.

Підготуйтеся до захисту звіту з лабораторної роботи. Дайте відповіді на контрольні питання.

Контрольні питання:

1. Наведіть умовні графічні позначення простіших логічних елементів.

2. Поясніть фізичний сенс двійкової системи числення.

3. Складіть електричні аналоги логічних елементів " І ", " НІ " ," АБО ", " І-НІ ", "АБО-НІ" .

4. Побудуйте часові діаграми для простіших логічних елементів (аналогічно з діаграмами рис.3 в) … 6 в).

5. Вкажіть параметри та характеристики логічних елементів на ІМС.

6. Поясніть динамічну характеристику логічних елементів.

7. Поясніть маркірування логічних ІМС.

8. Що впливає на швидкодію логічних ІМС?

9. Поясніть принцип дії електричних аналогів логічних елементів (рис. 3в…6в).

10. Що таке біполярний транзистор ?

11. Що таке підсилювач ?

12. Поясніть принцип дії підсилювача.

13. Поясніть призначення окремих елементів підсилювача .

14. Які режими роботи біполярних транзисторів ?

15. Як побудувати навантажувальну характеристику підсилювача на біполярному на біполярному транзисторі ?

16. Як визначити параметри підсилювача - Кі ,Ки ,Кр .

17. Назвіть параметри та характеристики підсилювачів на біполярних транзисторах.

18. Поясніть порядок виконання роботи .

Література : [ 2 ] , с 132 …182; [3 ] с 134...145

Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунки, оформити звіт, вивчити теорію з літературних джерел.

Лабораторна робота № 7