Лабораторна робота № 1

РЕЖИМИ РОБОТИ ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ

Режим роботи визначається постійною напругою (струмом), що прикладається до керуючих електродів, і величинами струмів, які протікають через підсилювальний елемент. Постійна напруга, що прикладається до керуючого електрода, називається напругою зміщення, а точка на навантажувальній характеристиці, що відповідає даній напрузі зміщення, називається робочою точкою. Протікаючий при цьому через підсилювальний елемент струм, називається струмом спокою. В залежності від положення робочої точки, режими роботи поділяються на такі основні режими А, В, С, D, Е.

При роботі в режимі А, робоча точка знаходиться на середині лінійної ділянки наскрізної характеристики підсилювального елемента і може бути задана шляхом задання струму бази або задання напруги зміщення. Серед можливих варіантів реалізації підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах (БТ) найбільш широке застосування знаходять каскади із загальним емітером (ЗЕ). Цей спосіб ввімкнення БТ забезпечує максимальний коефіцієнт підсилення за потужністю. На рис.1.1 зображено один з можливих варіантів підсилювача на БТ ввімкненого за схемою із ЗЕ.

Рисунок 1.1 ─ Схема електрична принципова підсилювача на БТ ввімкненого за схемою із ЗЕ

Якщо вхідний сигнал відсутній то каскад знаходиться в стані спокою. З допомогою резистора задається струм спокою бази. Величина струму спокою бази розраховується за формулою: .. . (1.1)

Протікання базового струму зумовлює протікання струму спокою колектора:

(1.2)

В свою чергу протікання колекторного струму зумовлює появу напруги спокою на електродах колектор-емітер:

. (1.3)

Слід відзначити, що в режимі спокою величина напруги спокою становить десятки, сотні мілівольт (як правило 0,5…0,8 В). При подачі на вхід додатної півхвилі підсилюваного сигналу буде зростати базовий струм, що в кінцевому результаті приведе до росту спаду напруги на та зменшення напруги на колекторі транзистора. Таким чином на виході підсилювача буде формуватися від’ємна півхвиля підсилюваного сигналу. Отже підсилювача на БТ ввімкнений за схемою ЗЕ здійснює інверсію фази коливань вхідного сигналу на .

Потужність, що підводиться до підсилювального елемента від джерела живлення (рис.1.2а), рівна площі заштрихованого прямокутника:

, (1.4)

де I_КСП – колекторний струм спокою.

Потужність змінного струму рівна площі заштрихованого трикутника :

, (1.5)

де I_mK, U_mК - амплітудні значення колекторного струму і напруги. Таким чином, ККД підсилювача

, (1.6)

де - називається коефіцієнтом використання колекторного струму, а - коефіцієнтом використання колекторної напруги.

Рисунок 1.2 ─ Робота підсилювача в режимах А і В при ідеалізованих характеристиках підсилювального елемента

Коли сигнал достатньо великий, то . Звідси витікає, що гранично можливий ККД транзистора в режимі А =0,5.

У режимі В струм бази дорівнює нулю і при відсутності вхідного сигналу колекторний струм практично також рівний нулю (рис.1.2,б). При наявності вхідного синусоїдального сигналу колекторний струм має форму синусоїдальних імпульсів. Для синусоїдальних сигналів з амплітудою амплітуда струму основної (першої) гармоніки

,

де - коефіцієнт першої гармоніки.

Для режиму В кут відсічки і .

Середнє значення струму колектора

, (1.7)

де - коефіцієнт постійної складової.

Для .

Відповідно коефіцієнт використання колекторного струму дорівнює:

.

Тому в режимі В

. (1.8)

При граничному значенні коефіцієнта використання колекторної напруги ( ), ККД підсилювача в режимі В дорівнює %

Струм спокою колектора, що визначає робочу точку, може змінюватися внаслідок зміни струмів втрат, зміни коефіцієнту передачі вхідного струму на вихід транзистора, температурної зміни величини вхідного струму, а також зміни температури навколишнього середовища.

Слід зауважити, що струми втрат сильно залежать від температури. Підвищення температури на кожні 10⁰ С приводить до їх подвоєння. Це справедливо як для германієвих, так і для кремнієвих транзисторів, однак внаслідок значно більших абсолютних значень струмів втрат германієвих транзисторів, температурна зміна цих струмів сильніше впливає на положення робочої точки.

Оскільки величина струму емітера , то він у багато разів більше струму . Отже, зміщення робочої точки, викликане зміною струму колектора, небезпечне для схеми із загальним емітером і не має істотного значення для схеми із загальною базою. Тому повинні бути вжиті дієві заходи для забезпечення стабілізації положення робочої точки схеми із загальним емітером.

Забезпечення стабілізації режиму роботи здійснюється в основному двома методами: температурною компенсацією і від’ємним зворотнім зв'язком (ВЗЗ). У першому випадку терморезистор з відповідним температурним коефіцієнтом або напівпровідниковий діод вмикається між емітером і базою транзистора (у разі схеми із загальним емітером). Замість діода можна використати прямо - або обернено зміщений емітерний перехід транзистора.

Стабілізація положення робочої точки з допомогою ВЗЗ здійснюється шляхом колекторного, емітерного або комбінованого зворотного зв’язку (ЗЗ). У першому випадку стабілізація забезпечується ввімкненням резистора між колектором і базою, у другому - між емітером і загальним проводом (емітерна стабілізація), у третьому - застосуванням комбінації вказаних зв'язків.

Ланки з ВЗЗ за постійним струмом широко застосовуються в підсилювальних каскадах, в яких постійна складова вихідного струму транзистора не залежить від амплітуди підсилюваного сигналу. Частіше за все в такому режимі працюють транзистори у вхідних каскадах тобто каскадах попереднього підсилення. У вихідних каскадах напруга зміщення транзистора залежить від амплітуди вхідного сигналу, тому в них використовується ланка зміщення з регульованою напругою база-емітер, а для стабілізації положення робочої точки застосовують схеми зміщення з температурною компенсацією.

Дослідження впливу режиму роботи підсилювача на його основні характеристики проводиться на прикладі одного з транзисторів мікросхеми К198НТ1Б (рис.1.3).

Рисунок 1.3 ─ Схема електрична принципова мікросхеми К198НТ1Б

Величина h21є транзисторів інтегральної схеми знаходиться в діапазоні 30-200. Величина струму втрат колекторно-базового переходу Iкбо не перевищує 0.075мка. Напруга насичення базо-емітерного переходу не більше 0.8В.

Електрична схема лабораторного макету дослідження режимів роботи підсилювальних пристроїв зображено на рис.1.4. а монтажна схема, відповідно, на рис.1.5.

Рисунок 1.4 ─ Електрична схема лабораторного макету дослідження режимів роботи підсилювальних пристроїв

Рисунок 1.5 ─ Монтажна схема лабораторного макету дослідження режимів роботи підсилювальних пристроїв

Рисунок 1.6 ─ Контакти роз’ємну використанні в схемі

лабораторного макету дослідження режимів роботи підсилювальних пристроїв

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Під’єднати досліджувану схему до лабораторного стенда.

Зняти сімейство вхідних характеристик при U_K=0 і 5В (величину струму бази визначати розрахунковим шляхом). Експериментальних точок повинно бути не менше семи. При виконанні даного пункту рекомендується використовувати таблицю1.1 Заповнення таблиці 1.1 та таблиці 1.2 необхідно виконувати при умові, що перемикач S1 знаходиться в положенні 12 або 14, а перемикач S2 в положенні 20. Саме таке положення перемикача S1 запобігає подачі напруги живлення на схему реалізовану на транзисторах Т2 та Т3 рис.1.4, а встановлення S2 в рекомендоване положення припиняє дію ланки від’ємного оберненого зв’язку який виникає при ввімкненні резисторів R5 чи R6.

Cімейство вхідних характеристик Таблиця 1.1

Iб

Де − ∆U=U2−U13, а величина струму бази знаходиться за формулою

Iб = ∆U/R3

2. Зняти сімейство вихідних характеристик при 6 8 еквідистантних значеннях струму бази. Струм бази і колектора визначати за величиною падіння напруги на базовому R3 і колекторному R4 резисторах відповідно. Експериментальних точок повинно бути не менше десяти. При виконанні даного пункту рекомендується використовувати Таблицю 1.2.

Cімейство вихідних характеристик Таблиця 1.2

U29

U17

Iк

Де − ∆U=U29−U17, а величина струму бази знаходиться за формулою

Iк = ∆U/R4

3. На сімействі вихідних характеристик побудувати навантажувальну характеристику колектора при Е_Ж=10B. Визначити напругу на колекторі і струм бази, при яких вихідна характеристика буде проходити через середину навантажувальної характеристики.

4. Встановити напругу живлення досліджуваної схеми 10B, задати визначену в п.4 величину струму бази, тобто реалізувати режим А.

5. Виміряти напругу колектора і визначити струм колектора транзистора. Звірити вказані величини зі значеннями, визначеними в п.4 графічно.

6. Скориставшись сімейством вихідних характеристик, визначити ККД підсилювача для режиму А та режиму В.

7. Зі звукового генератора подати сигнал частоти 1кГц максимально можливої величини, при якому ще не спостерігаються нижній або верхній зрізи вихідного сигналу. Виміряти напругу звукового генератора.

8. Встановити режим В, зменшуючи струм бази до величини при якій струм колектора стане близьким до нуля. Встановити визначену в п. 7 величину напруги звукового генератора. Замалювати осцилограму вихідного сигналу попередньо під’єднавши осцилограф до гнізда 4.

9. Увімкнути дію дестабілізуючого чинника - температури (перевести перемикач S1 в положення 8). Зміна температури транзистора забезпечується за рахунок розсіювання енергії електричного струму на паралельно ввімкнених транзисторах Т2, Т3, Т4 (рис.1.3) мікросхеми KI98НT1Б.

10. Визначити параметри робочої точки, струм бази, струм колектора, напругу U_БЕ U_КЕ, при напрузі сигналу, що подається зі звукового генератора, такій же, як в п.7. Вимірювання проводити не раніше, ніж через 2-3 хвилини після виконання п. 8.

11. Увімкнувши нагрів транзисторів, ввімкнути резистор емітерної стабілізації режиму роботи (S2 перевести в положення 24 або 30).

12. При кожному значенні R_E виконати пп. 4-9. Потрібно врахувати, що навантажувальна характеристика змінюється, і її положення буде визначатися величиною R_Е + R_К. Напругу колектор-емітер транзистора необхідно визначати як різницю виміряної напруги на колекторі та падіння напруги на емітерному резисторі розрахованої при умові, що колекторний і емітерний струми вважаються рівними.

13. Вимкнути емітерний резистор.

14. Зробити висновок і дати пояснення отриманим результатам.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Пояснити призначення елементів досліджуваної схеми.

2. Як зміняться положення робочої точки при зміні величини опорів R₁, R₂, R_Е (резистори R₅, R₆ схеми рис.1.4)? Величини напруги живлення і напруги зміщення незмінні.

3. Як вибрати положення робочої точки, щоб отримати найбільший розмах напруги в лінійному режимі?

4. Як вибрати положення робочої точки, щоб отримати обмеження вихідного сигналу тільки зверху або тільки знизу?

5. Намалювати схему підсилювача на польовому транзисторі. Вказати елементи, що забезпечують режим роботи підсилювача.

6. Які способи задання і стабілізації режиму роботи польового транзистора Ви знаєте?

7. Як зміниться положення лінії навантаження при під’єднанні зовнішнього навантаження?

8. Переваги і недоліки температурної компенсації зміни положення робочої точки.

9. Побудувати навантажувальну лінію за постійним і змінним струмом.