Лабораторная работа № 5 Каскодная схема усилителя

Цель работы: Изучение и исследование каскодной схемы усилителя

1 Краткие теоретические сведения.

Под каскодной схемой усилителя понимается схема, в которой два транзистора соединены последовательно, так что через них в статическом режиме протекает один и тот же ток рисунок 1.

Рисунок 1- Каскодная схема

На практике находят применение и другие каскодные схемы - с параллельным питанием и последовательным соединением по переменному току, гибридные каскодные схемы. Транзистор VT1 включен по схеме с ОЭ, a VT2 - по схеме с ОБ. Режим по постоянному току задается с помощью резисторов Rl, R2, R3. Режим ОБ транзистора VT2 по переменной составляющей обеспечивается блокировочным конденсатором СЬ, подключенным к его базе. На рисунке 1 показаны также необходимые для исследования контрольно-измерительные приборы.

Каскодная схема имеет коэффициент усиления тока α = α' α ", где α ', α " - коэффициенты усиления тока первого и второго транзисторов.

Коэффициент усиления напряжения каскода определяется по приближенной формуле

K_u = α (Rk/Re) (1)

Как следует из формулы (1), коэффициент усиления каскодной схемы по напряжению такой же, как и в простейшем каскоде ОЭ (это вытекает из того, что первый транзистор имеет Кц = 1). В данном случае он равен 5.

Не давая выигрыша по коэффициенту усиления напряжения и тока (а также по входному и выходному сопротивлениям), каскодная схема имеет важное преимущество, которое заключается в уменьшении паразитной связи между выходом Uo и входом Ui. В простом каскаде по схеме с ОЭ выход и вход связаны через емкость коллекторного перехода, что в ряде случаев осложняет работу усилителей. В частности, она приводит к увеличению входной емкости каскодной схемы, превращая каскад с ОЭ в своеобразный интегрирующий усилитель (в усилительной технике это называется эффектом Миллера), когда с ростом коэффициента усиления растет и входная емкость. При наличии индуктивной составляющей сопротивления нагрузки и при определенной реактивности выходного сопротивления предыдущего каскада такая связь часто приводит к самовозбуждению усилителя.

Причина, по которой выход и вход в каскодной схеме связаны в меньшей степени, заключается в том, что база VT2 находится под неизменным напряжением и его величину можно считать как бы напряжением питания для транзистора VT1, а его нагрузкой - весьма малое сопротивление эмиттерного перехода VT2. Это означает, что транзистор VT1 работает практически в режиме короткого замыкания коллекторной цепи. Соответственно его коэффициент усиления близок к единице, эффект Миллера отсутствует. И входная емкость равна емкости коллектора. Благодаря такой особенности каскод находит широкое применение в резонансных усилителях - в высокочастотных каскодах радиоприемных устройств.

2 Порядок выполнения работы:

1. Собрать каскодную схему рисунок 1. Выполнить моделирование.

2. В схеме (рисунок 1) при Rk = 7,5кОм установить статический режим в соответствии с показаниями приборов на рисунке 1. В процессе моделирования измерить коэффициент усиления по напряжению и сравнить полученные данные с результатами расчетов по формуле (1). (К_u = 5).

Рисунок 2 - Осциллограммы входного и выходного сигналов

Определить максимальный входной сигнал, при котором он передается на выход каскада без искажений. Изменяя параметры одного из транзисторов, исследовать влияние асимметрии транзисторов по α, Rc, Rb на статический режим и коэффициент усиления напряжения.

2.3 Подготовить схемы для моделирования гибридных каскодных схем на полевых и биполярных транзисторах [3] рисунке 3, подключив к ним источник питания, недостающие компоненты (рисунок 1) и базовых усилительных каскодов на полевых транзисторах рисунок.4 и необходимые контрольно-измерительные приборы.

а) б) в)

Рисунок 3 - Гибридные каскодные схемы: общий исток - общий эмиттер (ОИ - ОЭ) (а), общий сток - общий коллектор (ОС - ОК) (б), общий сток -общий эмиттер (ОС - ОЭ) (в)

Рисунок 4 - Базовые усилительные каскады на полевых транзисторах с общим истоком (а, б) и общим стоком (в, г)

В процессе моделирования установить необходимый статический режим (из условия неискаженной передачи сигнала), определить коэффициент усиления напряжения и сравнить его с данными расчетов по формулам: для каскодной схемы ОИ - ОЭ K_u = βSR_k; для ОС - OK K_u = βSRe / (1 + βSRe); для ОС - ОЭ K_u = βSR_k (βSRi).

3 Контрольные вопросы.

1. Преимущества каскодных схем

2. Отличия каскодных схем от других схем усилителей

3. Эффект Миллера.