ЛР_3

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

ОТЧЁТ

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Аналоговая схемотехника»

«МАЛОМОЩНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ»

Студенты гр. 8204		Дичковский Д. Ю.
		Овсянников А. И.
Преподаватель		Шаповалов С. В.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы: освоение способа установки рабочей точки транзисторного усилителя, оценка термостабильности рабочей точки, измерение входного и выходного сопротивления и коэффициента усиления по напряжению двух распространенных схем усилительных каскадов на транзисторах в режиме усиления малых сигналов.

Основные теоретические положения

Два исследуемых усилителя выполнены по схеме с общим эмиттером (рисунок 1). Оба усилителя работают в режиме класса А.

Состояние усилителя при отсутствии входного сигнала называется состоянием покоя или исходной рабочей точкой (ИРТ). Напряжение на выходе усилителя в состоянии ИРТ называется напряжением покоя или напряжением смещения рабочей точки. Если на вход усилителя подать переменный входной сигнал, то максимальная амплитуда и отсутствие искажений у выходного сигнала могут быть достигнуты, если напряжение покоя будет равно примерно половине напряжения питания (рисунок 2).

Рис. 1. Схемы усилителей на биполярных транзисторах: а - с балластным резистором в цепи базы; б - с делителем в цепи базы и эмиттерным резистором.

Рис. 2. Исходная рабочая точка транзисторного усилителя класса А.

Реальный биполярный транзистор может работать в активном режиме при напряжениях U_КЭ более 1 В. Таким образом, максимальная амплитуда неискаженного сигнала обеспечивается на выходе транзисторного усилителя, если в точке покоя U_КЭ будет составлять немногим более U_П/2. Примем для определенности U_КЭ в ИРТ равным +7 В при U п = 12 В.

Выходной ток транзисторного усилителя зависит от мощности, которую следует отдавать в нагрузку. Пусть в проводимых исследованиях ток коллектора I_К при U_ВХ=0 будет невелик, например, I_К = 5 мА.

В схеме (рисунок 1, а) исходная рабочая точка транзистора задается током базы I_Б с помощью балластного резистора, включенного между базой и плюсом источника питания. Из заданного значения напряжения смещения рабочей точки U_КЭ и тока коллектора I_К однозначно вытекает необходимое значение сопротивления R_К, а также необходимый ток базы I_Б:

где β – коэффициент усиления транзистора по постоянному току.

Тогда необходимое сопротивление резистора в цепи базы имеет вид:

Схема с балластным резистором обладает низкой температурной стабильностью, так как коэффициент усиления схемы по напряжению (то есть коэффициент усиления полезного сигнала) прямо зависит от β, который, в свою очередь, зависит от температуры. Кроме того, поскольку коэффициент усиления транзистора по постоянному току – параметр, сильно отличающийся у разных экземпляров транзисторов, то невозможно построить усилитель по схеме с балластным резистором в цепи базы с жестко заданными характеристиками.

Лучшую температурную стабильность, а также возможность задания коэффициента усиления по напряжению имеет схема, изображенная на рисунок 1 б. Если ток базы транзистора много меньше, чем сквозной ток, протекающий через делитель R₁, R₂, то потенциал базы в данной схеме зависит только от номиналов резисторов R₁ и R₂:

Потенциал эмиттера открытого кремниевого транзистора приблизительно на 0.65 В ниже, чем U_Б, т.е. U_Э=U_Б–0.65. Так как ток базы в сотни раз меньше тока коллектора, то без значительного ущерба для точности расчета ток коллектора может быть принят равным току эмиттера, т.е. I_К=I_Э=U_Э/R_Э.

Коэффициент усиления схемы по напряжению

Таким образом, задав значения коэффициента усиления и R_К, можно задать и R_Э. Зная необходимое значение тока усилителя, можно также рассчитать U_Б, a далее c помощью (**) – необходимый коэффициент деления делителя R₁, R₂. Последнее, что необходимо рассчитать, это числовые значения сопротивлений делителя R₁, R₂. Для этого по заданному значению I_К рассчитывается ток базы по формулам (*), a затем – необходимый ток делителя, который должен быть значительно больше тока базы.

Результирующее входное сопротивление усилителя в целом рассчитывается как параллельное соединение сопротивлений R₁ и R2. Выходное сопротивление усилителя, как и в схеме c заземленным эмиттером, близко к R_К.

Схемы измерений:

Рис 3. Схема проведения измерений для усилителя с балластным резистором в цепи базы.

Рис. 4. Схема проведения измерений для усилителя с делителем в цепи базы и эмиттерным резистором.

Обработка результатов

Изменение тока коллектора при нагреве:

Падение напряжения на R_К:

Ток коллектора:

Ток базы:

Коэффициент передачи по току:

Коэффициент усиления схемы:

Выходное сопротивление: 093

Входной ток:

Входное сопротивление:

Для второй цепи были произведены аналогичные расчёты. Результаты всех расчётов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры двух исследуемых схем.

Эксперимент	Измеряемый параметр	Результат измерения
Зависимость напряжения рабочей точки от температуры	UРТ до нагрева	6,98 В	10,6 В
	UРТ после нагрева	6,75 В	10,6 В
Исходная рабочая точка	Падение напряжения на Rк (ток коллектора IК)	5,02 В 5,02 мА	1,4 В 7,86 мА
	Падение напряжения на постоянном резисторе в цепи базы (ток базы IБ)	10,67 В 0,022702 мА	0,666 В 0,0398 мА
	Коэффициент β	197,42	197,42
Режим усиления Входного сигнала	Амплитуда входного сигнала UВХ	136 мВ	136 мВ
	Амплитуда выходного сигнала UВЫХ	2,12 В	2,28 В
	Коэффициент усиления схемы kU	15,59	16,76
Измерение входного сопротивления	Падение напряжения на входном резисторе URвх	0,08 В	0.12 В
	Ток входного сигнала	8*10-6 А	12*10-6 А
	Входное сопротивление RIN	17 кОм	11,33 кОм
Измерение выходного сопротивления	Амплитуда напряжения на выходе без нагрузки	2,12 В	2.28 В
	Амплитуда напряжения на выходе с нагрузкой	1,72 В	2,08 В
	Выходное сопротивление ROUT	1093 Ом	1442 Ом

Выводы

В ходе выполнения лабораторной работы был освоен способ установки рабочей точки транзисторного усилителя для двух видов схем (с балластным резистором и с делителем и эмиттерным резистором). Схема с делителем отличается значительно большей термостабильностью рабочей точки, в отличие схемы с балластным сопротивлением (во второй схеме напряжение рабочей точки не изменялось с нагревом). Коэффициенты усиления обеих схем были приблизительно равны друг другу, отличия могли возникнуть из-за температурных зависимостей напряжений. Использование в схеме балластного сопротивления и делителя в цепях позволяет ограничивать схему от излишнего напряжения, а также позволяют выравнивать напряжение/ток в цепи, получая сигналы на выходе без искажений и с такой же амплитудой, как на входе. Подобного рода схемы также позволяют ограничиться на выходе достаточно низкими сопротивлениями порядка единиц кОм.

ПРОТОКОЛ НАБЛЮДЕНИЙ: