ИЗУЧЕНИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра БТС

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника»

Тема: Изучение схемы усилителя с общим эмиттером

Студент гр. 7501		Исаков А.О.
Студентка гр. 7501		Винограденко Ю.В.
Преподаватель		Анисимов А.А.

Санкт-Петербург

2019

Цель работы: ознакомиться с основными типами усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Освоить основные этапы проектирования транзисторного усилительного каскада и методику измерения коэффициента усиления транзистора по току. Научиться снимать основные параметры усилительного каскада – входное и выходное сопротивления, АЧХ.

Используемое оборудование: NI ELVIS Bode Analyzer, макетная плата NI ELVIS, резисторы, конденсаторы, транзистор 2N2222.

Основные теоретические положения.

Каскад с общим эмиттером имеет достаточно высокий коэффициент усиления (пропорциональный β), средние (приемлемые на практике) значения входного и выходного сопротивлений и поэтому широко используется в практической схемотехнике. Главная проблема, возникающая при его использовании – задание рабочей точки транзистора (синоним – смещение транзистора). Дело в том, что в эскизных схемах подразумевается, что ток I_К может как увеличиваться, так и уменьшаться, то есть в отсутствие входного сигнала он должен иметь некоторое определённое значение, которое должно определять падение напряжения на резисторе R_К и, следовательно, выходное напряжение каскада в отсутствие входного сигнала. Поскольку это выходное напряжение имеет минимальное значение, равное нулю (транзистор полностью открыт), а максимальное – E_К (транзистор полностью закрыт), логично задать значение тока I_К в отсутствие входного сигнала таким, чтобы выходное напряжение равнялось E_К/2. В этом случае сопротивление резистора R_К следует выбрать равным E_К/(2I_К0), где I_К0 – значение коллекторного тока в отсутствие входного сигнала. Этот ток должен обеспечить ток базы I_Б0= I_К0/β. Классический способ создания такого тока в каскаде с общим эмиттером показан на рис. 1.

Рисунок 1. Схема усилительного каскада с ОЭ с заданием рабочей точки с помощью стабильного тока базы (а) и график, иллюстрирующий её работу (б)

Ток базы задаётся резистором R_Б, падение напряжения на котором равно U_RБ ≈ E_К – 0,7В. При условии сопротивление резистора R_Б можно оценить как

При таком задании рабочей точки в отсутствие входного сигнала выходное напряжение равно E_К/2, при положительном входном сигнале ток базы увеличивается и выходное напряжение уменьшается, при отрицательном – увеличивается (рис. 1). Таким образом, выходной сигнал содержит постоянную составляющую и обычно от неё избавляются, применяя разделительный конденсатор. Кроме того, вход каскада не должен быть соединён по постоянному току с источником входного сигнала, поэтому необходимо подключать входной сигнал ко входу каскада также через разделительный конденсатор.

Альтернативный способ задания рабочей точки транзистора изображён на рис. 2. В этом способе используется задание постоянного напряжения на базе транзистора U_БЭ, которое создаётся делителем напряжения на резисторах Rб1 – Rб2:

Два описанных способа задания рабочей точки традиционно используются в любых устройствах на базе биполярного транзистора.

Рисунок 2. Схема усилительного каскада с ОЭ с заданием рабочей точки с помощью стабильного напряжения U_БЭ

Как коэффициент усиления каскада, так и его входное и выходное сопротивления зависят от индивидуальных параметров транзистора (β, r_Б и r_К). Более того, замена транзистора в рабочем усилительном каскаде влечёт за собой необходимость заново устанавливать рабочую точку. Этого можно избежать с помощью введения в каскад последовательной отрицательной обратной связи (ООС) по току (рис. 3). В этой схеме на вход транзистора (напряжение база- эмиттер) подаётся разность входного сигнала и падения напряжения на резисторе Rэ, которое пропорционально току I_К. Коэффициент усиления каскада определяется уже не индивидуальными параметрами транзистора, а величинами сопротивлений резисторов, входящих в схему:

K_У=R_К/R_Э. Установку рабочей точки в схеме можно также обеспечить заданием тока базы при помощи резистора Rб, или с помощью напряжения на базе, которое задаётся делителем напряжения.

Рисунок 3. Схема усилительного каскада с ОЭ с последовательной ООС по току

Согласно общим положениям теории систем с обратной связью, введение последовательной отрицательной обратной связи по току приводит к тому, что входное сопротивление усилительного каскада значительно увеличивается.

Схема каскада с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией обладает лучшими характеристиками по стабильности параметров. В ней глубина обратной связи по постоянному току приближается к 100%. Принципиальная схема включения транзистора с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с общим коллектором

Отличительной особенностью схемы с общим коллектором является высокое входное сопротивление.

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Схема каскада усиления с коллекторной стабилизацией и схемой включения транзистора с общей базой приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема с общей базой

Отличительной особенностью схемы с общей базой является малое входное сопротивление. Входным сопротивлением этого усилительного каскада является эмиттерное сопротивление транзистора.

По току схема усилительного каскада с общей базой усилением не обладает. Более того, коэффициент передачи этой схемы меньше единицы.

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада, собранного по схеме с общей базой, совпадает с коэффициентом усиления по напряжению схемы с общим эмиттером.  Схема включения транзистора с общей базой используется обычно в высокочастотных усилителях.

Обработка результатов эксперимента

1. Схема с общим эмиттером

1. Схема 1

Рисунок 6. Схема 1 смоделированная в MicroCap

Сборка схемы

• 2N2222

• Uпит = 15В

• Iк = 0.931мА

• β = 218

Рисунок 7. Собранная схема 1

Рисунок 8. Показания вольтметра на выходе

Расчёты:

,

В собранной схеме R₁ = 7.5кОм, R₂ = 3.3Мом

Подаём входной синусоидальный сигнал

Рисунок 9. Собранная схема с переменным входным сигналом

Рисунок 10. Осциллограмма входного и выходного сигнала

2. Схема 2

Рисунок 11. Схема 2 смоделированная в MicroCap

Сборка схемы

Рисунок 12. Собранная схема 2

Рисунок 13. Показания вольтметра на выходе для схемы 2

Рисунок 15. Показания вольтметра на базе

Рисунок 14. Показания вольтметра на эмиттере

Расчёт:

R₃=7.5кОм,

R₂ = 10кОм, R₄ = 1кОм

Рисунок 16. Схема 2 при входном синусоидальном cигнале смоделированная в MicroCap

Подаём входной синусоидальный сигнал

Рисунок 17. Осциллограмма входного и выходного сигнала

C₁ = 2.2мкФ, C₂ = 2.2мкФ

Рисунок 18. Собранная схема 2 с переменным входным сигналом

Рисунок 19. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Амплитудно-частотная характеристика схемы 2

Рисунок 20. АЧХ схемы 2

Расчёт входного сопротивления

2. Схема с общим коллектором

Рисунок 21. Схема с общим коллектором входном синусоидальном сигнале, смоделированная в MicroCap

Рисунок 22. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Сборка схемы

• 2N2222

• Uпит = 15В

• Iк = 0.983мА

• R1 = R2 = 10кОм

• R3 = 7.5кОм

• C1 = C2 = 2.2мкФ

Рисунок 24. Показания вольтметра на выходе

Рисунок 23. Собранная схема с общим коллектором

Рисунок 25. Показания вольтметра на эмиттере

Рисунок 26. Показания вольтметра на базе

Рисунок 27. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Амплитудно-частотная характеристика схемы с общим коллектором

Рисунок 28. АЧХ схемы с общим коллектором

3. Схема с общей базой

Рисунок 29. Схема с общей базой при входном синусоидальном сигнале, смоделированная в MicroCap

Рисунок 30. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Сборка схемы

• 2N2222

• Uпит = 15В

• Iк = 1.121мА

• R₁ = 84кОм, R₃=7.5кОм,

• R₂ = 10кОм, R₄ = 1кОм

• C1 = C2 = 2.2мкФ

Рисунок 31. Собранная схема с общей базой

Рисунок 32. Показания вольтметра на выходе

Рисунок 33. Показания вольтметра на эмиттере

Рисунок 34. Показания вольтметра на базе

Рисунок 35. Осциллограмма входного и выходного сигнала

Амплитудно-частотная характеристика схемы с общей базой

Рисунок 36. АЧХ схемы с общей базой

Амплитудно-частотные характеристики схем в MicroCap

1. Схема с общим эмиттером

Рисунок 37. АЧХ схемы с общим эмиттером

2. Схема с общим коллектором

Рисунок 38. АЧХ схемы с общей базой

3. Схема с общей базой

Рисунок 39. АЧХ схемы с общим коллектором

Вывод: мы ознакомились с основными типами усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Освоили основные этапы проектирования транзисторного усилительного каскада. Для схемы с общим эмиттером был найден коэффициент усиления по напряжению, который был равен по модулю 7,5. На практике усиление получилось немного меньше – 6,8. АЧХ для данной схемы получилось сходным с теоретическим. В схеме с общим коллектором нет усиления по напряжению, что и можно было наблюдать по осциллограмме. АЧХ так же показывало отсутствие усиления. Для схемы с общей базой значение коэффициента усиления составило 7,5, на практике он получился равным 6,77. АЧХ для данной схемы так же совпало с теоретическим. Было рассчитано входное сопротивление для СОЭ, которое составило 7,6кОм, что примерно близко к предполагаемым 10кОм.