ЭиМТ_ЛР1_9502_Камышанова_Изланова_Позняк

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.

Оборудование: NI ELVIS Bode Analyzer, макетная плата NI ELVIS,

резисторы, конденсаторы, транзисторы 2N3904, 2N3906.

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 IК

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 RК и, следовательно, выходное напряжение каскада в отсутствие входного сигнала. Поскольку это выходное напряжение имеет минимальное значение, равное нулю (транзистор полностью открыт), а максимальное – EК (транзистор полностью закрыт),

логично задать значение тока IК в отсутствие входного сигнала таким, чтобы выходное напряжение равнялось EК/2. В этом случае сопротивление резистора

RК следует выбрать равным EК/(2IК0), где IК0 – значение коллекторного тока в отсутствие входного сигнала. Этот ток должен обеспечить ток базы IБ0= IК0/β.

Классический способ создания такого тока в каскаде с общим эмиттером показан на рис. 1.

2

Рис. 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 RБ, падение напряжения на котором равно

URБ ≈ EК – 0,7В. При условии EК 0,7В сопротивление резистора RБ можно оценить как

При таком задании рабочей точки в отсутствие входного сигнала выходное напряжение равно EК/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 UБЭ, которое создаётся делителем напряжения на резисторах

Rб1 – Rб2:

3

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

Рис. 2. Схема усилительного каскада с ОЭ с заданием рабочей точки с помощью стабильного напряжения UБЭ

Как коэффициент усиления каскада, так и его входное и выходное сопротивления зависят от индивидуальных параметров транзистора (β, rБ и rК).

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 базаэмиттер) подаётся разность входного сигнала и падения напряжения на резисторе Rэ, которое пропорционально току IК.

Коэффициент усиления каскада определяется уже не индивидуальными параметрами транзистора, а величинами сопротивлений резисторов, входящих в схему:

KУ=RК/RЭ. 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.

4

Рис. 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.

5

Протокол к лабораторной работе №1

Исходные данные: к = 5 мА, н = 5кГц, 1 = 15В

Для 2N3904 = 180

1. Управление током коллектора с помощью тока базы

Рассчитаем основные параметры цепи: = 21 = 152 = 7.5 В

Рисунок 4. Результат анализа расчётов параметра усилителя на основе транзистора NPN типа при управлении током коллектора с помощью тока базы

Как видно из результатов анализа, значение напряжения в точке out на выходе схемы отличается от расчетного значения вследствие нестабильности коэффициента усиления , который мы использовали при расчётах.

6

2.Управление током коллектора с помощью напряжения на базе

Рисунок 5. Результат анализа расчётов параметра усилителя на основе транзистора NPN типа при управлении током коллектора с помощью напряжения на базе

Все напряжения примерно соответствуют расчетным данным.

7

3.Работа усилителя в режиме усиления входных сигналов

Рисунок 6. Схема реализации усилителя на основе транзистора NPN типа

Рисунок 7. АЧХ усилителя на основе транзистора NPN типа

8

Для 2N3906 =

1. Управление током коллектора с помощью тока базы

Рассчитаем основные параметры цепи: = 21 = 152 = 7.5 В

Рисунок 9. Результат анализа расчётов параметра усилителя на основе транзистора PNP типа при управлении током коллектора с помощью тока базы

Как видно из результатов анализа, значение напряжения в точке out на выходе схемы отличается от расчетного значения вследствие нестабильности коэффициента усиления , который мы использовали при расчётах.

10