Учебное пособие 457

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИТТЕРНОГО ПОВТОРИТЕЛЯ

Целью работы является определение коэффициентов усиления напряжения, тока, мощности, входного и выходного сопротивлений.

Приборы и оборудование: генератор сигналов Г3-118;

осциллограф универсальный С1-68; мультиметр; лабораторный стенд.

Общие сведения

В эмиттерном повторителе (ЭП) транзистор по переменному току включен по схеме с общим коллектором (рис. 1).

Рис. 1. Схема эмиттерного повторителя

Определим основные параметры каскада: статические коэффициенты усиления по напряжению (KU), по току (KI), а также входное (Rвх) и выходное (Rвых) сопротивления. При этом будем полагать, что сопротивление конденсатора связи Ср пренебрежимо мало по сравнению с Rвх.

Входное сопротивление каскада без учета резисторов R1

и R2, обеспечивающих режим работы каскада по постоянному току, найдем как:

Здесь Ес, - ЭДС идеального источника сигнала, Iб – ток базы, который можно вычислить по формуле:

Iб = Uбэ/h11,

где h11 – входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером, Uбэ – напряжение, действующее между базой и эмиттером.

Uбэ = Ес - Iэ Rэ, где Iэ – ток эмиттера, а Rэ – сопротивление, стоящее в цепи эмиттера (рис. 1).

Заметим, что если к выходу каскада, параллельно Rэ подключена нагрузка с сопротивлением R, то для расчета вместо Rэ следует брать сопротивление R*э = Rэ/(Rэ+ R). В настоящей работе исследуется эмиттерный повторитель, схема которого показана на рис. 1. Роль нагрузки каскада выполняет резистор Rэ в цепи эмиттера (R*н = Rэ).

Выразим ток эмиттера через ток базы:

Iэ = Iб (h21 +1), (2)

где h21 - коэффициент передачи транзистора по току. В свою очередь

Из выражения (4) видим, что вследствие наличия глубокой последовательной отрицательной обратной связи по напряжению ЭП имеет высокое входное (до сотен кОм) сопротивление.

2

Полное сопротивление каскада несколько меньше. Оно определяется с учетом параллельного включения R*вх и резисторов R1 и R2 по формуле

(Rвх)-1 = (R*вх)-1 +(R1)-1+(R2)-1.

Согласно приведенным выражениям, входное сопротивление ЭП возрастает с ростом сопротивления нагрузки, а выходное сопротивление падает с уменьшением сопротивления источника сигнала.

Подставив уравнение (6) в выражение для Uвых, а затем в формулу (5), окончательно получим:

Учитывая, что в большинстве практически важных случаев, (h21 +1)Rэ >> h11, можно записать:

KU 1.

Таким образом, напряжение эмиттера, и по фазе, и по амплитуде повторяет напряжение, поданное на вход. Поэтому каскад, выполненный по схеме с общим коллектором, называют эмиттерным повторителем.

Коэффициент усиления по току (KI) определим, как от-

ношение тока нагрузки (Iн) к входному току каскада(Iвх). Для

3

случая, когда резистор Rэ является нагрузочным (т.е. Rн = Rэ) и можно пренебречь ответвлением тока Iвх в резисторы R1 и R2,

получается, что KI= Iн/Iвх = Iэ/Iб = (h21 +1).

Выходное сопротивление каскада рассчитаем по фор-

муле

где Uххвых и Iкзвых, соответственно, выходное напряжение холостого хода и выходной ток короткого замыкания.

Выходное напряжение холостого хода:

Выходной ток короткого замыкания: Iкзвых= Iэ = Iб (h21 +1) = Ес(h21 +1)/h11.

Подставив эти выражения в формулу (8), получим:

Принимая во внимание, что (h21 +1)Rэ >> h11, получим:

Rвых h11/(h21 +1). (10)

Если источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением (r), то выражение для выходного сопротивления примет вид:

Видим, что выходное сопротивление каскада с ОК, на который подается сигнал от идеального источника ЭДС зависит только от входного сопротивления транзистора (h11) и его коэффициента передачи по току (h21)и не зависит от сопротивления в цепи эмиттера (Rэ). Вместе с тем, из соотношения (11) следует, внутреннее сопротивление источника сигнала влияет на выходное сопротивление усилителя. Выходное сопротивление усилителя возрастает с повышением r.

4

Лабораторные задания и указания по их выполнению

Первое лабораторное задание (подготовка к эксперименту)

1. Собрать установку для измерений согласно схеме, показанной на рис. 2.

Рис. 2. Схема лабораторной установки для изучения работы ЭП

2.Показать собранную цепь преподавателю и получить разрешение на включение электроприборов.

3.Установить регулятор выходного напряжения генератора Г3-118 в положение, соответствующее минимальной ам-

плитуде сигнала (UГ 0).

4.Проверить наличие заземления. Включить стандартные приборы в сеть и дать им прогреться 15-20 мин.

5.Подготовить приборы к измерениям в соответствии с их описанием. Установить на выходе генератора заданное преподавателем сопротивление r.

6.Измерить с помощью мультиметра номиналы резисторов R* и Rэ. (Измерение Rэ сделать дважды, с изменением полярности измерительного напряжения.)

7.Подключить питающее напряжение к лабораторному

стенду.

5

Второе лабораторное задание (Определение коэффициентов усиления усилительного каскада

по напряжению, току, мощности)

1.Установить частоту сигнала генератора 0,5 кГц, а амплитуду напряжения UГ = 0,1 В (клемма 1 на макете).

2.Измерить напряжение (клемма 2 на рис. 2) на входе усилительного каскада Uвх. (Напряжения Uвх и UГ измерить осциллографом или электронным вольтметром переменного тока).

3.Определить значения входного тока. Для вычислений

воспользоваться формулой

Iвх =(U1 - U2)/R*,

4. Измерить с помощью осциллографа напряжение на выходе усилительного каскада Uвых (клемма «3»).

5. Вычислить коэффициент усиления по напряжению, воспользовавшись данными, полученными при выполнении пунктов 2 и 4.

KU = Uвых/ Uвх.

6. Вычислить выходной ток, протекающий через сопротивление Rэ:

7. Вычислить коэффициент усиления тока

и коэффициент усиления мощности Кр = КU КI.

8. Оцените, используя полученные экспериментальные данные коэффициент передачи транзистора по току (h21).

6

Третье лабораторное задание (Определение входного и выходного сопротивления ЭП)

1. Вычислить входное сопротивление каскада как

2. Шунтировать резистор Rэ, замкнув для этого перемычкой клеммы «3» и «4», и вновь измерить напряжения U/Г и U/вх (клеммы «1» и «2», соответственно).

3.Выполнить пункт 3 второго лабораторного задания для

случая, когда резистор Rэ шунтирован. Определить входной ток каскада I/вх.

4.Найти входное сопротивление транзистора (параметр

h11)

h11= U/вх/ I/вх

5.Подключив мультиметр к клеммам «0» и «3» лабораторного макета, измерить ток Iкзвых для двух случаев:

а) напряжение с измерительного генератора UГ подается на клемму «1» макета;

б) напряжение с измерительного генератора UГ подается на клемму «2» макета.

6.Перевести мультиметр в режим измерения переменного напряжения и измерить напряжение Uххвых в условиях (а) и (б).

7.Воспользовавшись результатами измерений Uххвых и Iкзвых для случаев (а) и (б), определить значения выходного со-

противления каскада по формуле:

Rвых = Uххвых/ Iкзвых.

8.Сравните экспериментально полученное значение Rвых

срассчитанным по формуле (11), в которую подставлены данные, найденные в работе экспериментально.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

-принципиальную схему лабораторной установки;

-формулы и результаты расчетов;

7

-таблицы с расчетными и экспериментальными данными и их сравнительный анализ;

-анализ результатов и краткие выводы.

Контрольные вопросы

1.Изобразите схему усилительного каскада, собранного по схеме с общим коллектором. Поясните назначение ее элементов.

2.Объясните, почему данный каскад получил название эмиттерного повторителя.

3.Каково назначение каскадов предварительного усиления?

4.Назовите основные преимущества и недостатки каскада с общим коллектором по сравнению с каскадом с общим эмиттером и общей базой?

5.Что такое обратная связь в усилителе? Перечислите варианты классификации обратной связи.

6.Какого типа обратная связь реализуется в ЭП? Покажите на схеме цепь обратной связи.

7.Как влияет отрицательная ОС на свойства усилителя?

8.Объясните, почему показания мультиметра при измерении сопротивления Rэ зависят от полярности измерительного напряжения? Какое из показаний прибора следует считать верным?

9.Почему изменилось входное сопротивление каскада после шунтирования резистора Rэ?

10.Насколько сильно влияет резистор R* на выходное сопротивление усилителя? С чем связано это влияние?

Библиографический список

1.Остапенко Г.С. Усилительные устройства /Г.С. Остапенко – М.: Радио и связь. 1989 г.

2.Войшвилло Г.В. Усилительные устройства / Г.В. Войшвилло –М.: Радио и связь. 1983 г.

8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХТАКТНОГО ТРАНСФОРМАТОРНОГО ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Целью лабораторной работы является изучение свойств двухтактного трансформаторного выходного каскада.

Приборы и оборудование: генератор сигналов Г3-118;

осциллограф универсальный С1-68; мультиметр; лабораторный стенд.

Общие сведения

Оконечный каскад (ОК) предназначен для обеспечения требуемой величины мощности в заданном сопротивлении нагрузки.

Основная особенность работы ОК - это высокий уровень сигнала во входных и выходных цепях усилительных элементов. Поскольку работа усилительного элемента (УЭ) ОК при больших сигналах вызывает появление заметных нелинейных искажений, важно обеспечить заданную мощность в нагрузке при таком уровне искажений, который не превышает допустимый.

Необходимость использования мощных усилительных элементов со значительным потреблением энергии от источника питания требует реализовать по возможности более высокий коэффициент полезного действия (КПД) каскада. Это, в свою очередь, требует обеспечить в ОК условия наиболее полного использования УЭ по току и по напряжению, что достигается специальными схемными решениями.

Подробнее о требованиях, предъявляемых к ОК, прочи-

тайте в [1, с. 133-236] и [2, с. 167-168].

9

Различают несколько классов режимов работы усилительных элементов в ОК. Наиболее распространенными из них являются режимы А, В, АВ.

При работе транзистора а режиме А его выходной ток существует в течение всего периода усиливаемого сигнала. Рабочая точка при работе УЭ выбирается на линейном участке передаточной характеристики (рис. 1). Работа усилительного элемента в режиме А обеспечивает малое значение коэффициента нелинейных искажений, однако КПД каскада существенно ниже, чем для режимов АВ и В даже при максимальной мощности в нагрузке.

При работе в режиме В выходной ток УЭ существует только в течение половины периода усиливаемого сиг-

нала. Рабочая точка выбирается при нулевом токе покоя (рис. 1). (Следует заметить, что такое определение режима В справедливо лишь для идеализированного случая. В реальном каскаде ток покоя имеет некоторое малое значение).

Поскольку транзистор не пропускает сигнал в течение половины периода каждого колебания, приходится ставить второй транзистор, работающий поочередно с первым. Образуется так называемая двухтактная схема.

В режиме В сравнительно высок КПД, но велики нелинейные искажения из-за большой кривизны начального участка передаточной характеристики.

10

Оконечные каскады могут выполняться по однотактным и по двухтактным схемам. Различают резисторные, дроссельные и трансформаторные схемы однотактных ОК [1, с. 240-245]. Трансформаторная схема ОК, исследуемая в работе, показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема лабораторной установки: I - генератор сигналов Г3-118; II - лабораторный макет (ЛМ); III - мультиметр; IV - осциллограф С1-68

Трансформаторная схема имеет важное преимущество - позволяет оптимизировать условия работы УЭ путем согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением усилителя. Однако наличие трансформатора в выходной цепи УЭ приводит к ряду существенных недостатков: увеличивается уровень линейных и нелинейных искажений выходного сигнала; в трансформаторе теряется часть мощности сигнала, что уменьшает КПД сигнала; увеличиваются масса и габариты усилителя.

11

Двухтактная схема ОК содержит два транзистора (или группы транзисторов), работающие на общую нагрузку и управляемые взаимно противофазно (рис. 3)..

Рис. 3. Временные зависимости токов и напряжений, иллюстрирующие работу двухтактного трансформаторного усилителя, работающего в режиме «В»

Двухтактные ОК могут быть трансформаторными и бестрансформаторными.

Поскольку уровень входного сигнала в ОК высок, параметры транзисторов за период сигнала изменяются в широких пределах. По этой причине расчет электрических параметров ОК обычно производят графическим методом с использованием динамических характеристик каскада [2,

с.169-177], т.к. при аналитическом расчете с привлечением малосигнальных параметров УЭ (т.е. параметров в точке покоя) ошибка расчета может быть очень велика.

Обсудим работу усилителя (рис. 2). Напряжение синусоидальной формы подается с выхода генератора Г3-118 на вход первого усилительного каскада, выполненного по схеме с общим эмиттером на транзисторе VT1. Нагрузкой VT1 является согласующий трансформатор Т1, который обеспечивает:

а) развязку по постоянному току цепей первого и второго каскадов усилителя;

б) согласование выходного сопротивления предоконечного каскада со входным сопротивления оконечного каскада;

12

2)Получить оптимальные размеры изображения и зарисовать его на кальку цветным карандашом вместе с частью координатной сетки.

3)Подключить вход “У” к гнезду 7 и на той же кальке (не допуская ее смещения) зарисовать карандашом другого цвета наблюдаемую осциллограмму.

Третье лабораторное задание Изучить зависимость основных параметров ОК: выход-

ной мощности, мощности, потребляемой от источника питания, КПД, коэффициента гармоник от амплитуды входного сигнала.

1)Подключить, соблюдая полярность, вольтметр к “токовому резистору” R5 (гнезда “3” - “+” и 4 - (-) на лабораторном макете.

2)Подключить к гнезду “5” “У” - вход осциллографа для измерения напряжения на нагрузочном резисторе R6 (Uвых)

иизмеритель нелинейных искажений для измерения коэффициента гармоник (КГ).

3)Изменяя напряжение на выходе генератора от нуля до некоторого значения, при котором форма напряжения на

15

нагрузочном резисторе будет немного отличаться от синусоидальной, получить зависимость напряжения на нагрузочном резисторе (Uвых), напряжения на резисторе R5 (UR5) и коэффициента гармоник от напряжения на входе усилителя (Uвх). Напряжение на входе усилителя измерять с помощью осциллографа.

Измерения следует провести для обоих режимов работы ОК (А и В) и данные занести в таблицу 4.1.

4) Вычислить для полученных значений Uвх значения выходной мощности по формуле:

U2

Рвых вых , где R6 = 5,1 Ом;

2R6

и величины мощности, потребляемой от источника питания

(Рn) и КПД ( ):

Результаты занести в таблицу.

№ Uвх, Uвых, мВ КГ, % UR5, мВ Рвых, Вт Рn, Вт , %

п/п мВ А В А В А В А В А В А В

1

2

...

10

5) Построить графики зависимостей Рвых(Uвх), Рn (Uвх),(Uвх) и КГ(Uвх) для режимов А и В. Пояснить полученные зависимости.

16