Елютин Експерименталная физика.Лабораторный практикум 2011

лектором и базой образуются два p n перехода, пропускные направления которых противоположны. Переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, между базой и коллектором – коллекторным.

В зависимости от чередования слоев различают p n p и n p n транзисторы (рис.36.1), отличающиеся в основном по-

лярностью напряжений и направлением рабочих токов при включении в электронную схему.

Рис. 36.1

Транзистор всегда включают с использованием двух источников тока, причем каждый источник подключается к разноименным выводам. Возможны три схемы включения: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК). Каждая из этих схем имеет свои особенности, характеристики и параметры. Как правило, одним источником тока является входной сигнал, другим – источник питания.

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером общим электродом для входа и выхода является эмиттер (рис. 36.2). Эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. При этом в цепи базы протекает ток IБ в цепи

коллектора IK , а в цепи эмиттера тoк IЭ IK IБ. Таким образом,

ток базы может быть записан в виде IБ IЭ IK.

51

коэффициента усиления. Конденсатор C2 отсекает постоянную составляющую в сигнале на выходе усилителя.

Рис. 36.4

Основные характеристики усилителя

Коэффициент усиления по напряжению определяется как

пряжение на входе усилителя (иногда его называют напряжением входного генератора). Важно подчеркнуть, что величина KU опре-

деляется с учетом внутренних сопротивлений генератора RГ и на-

грузки RН. Интересно выяснить, как RГ и RН влияют на величину

KU . Например, если RГ становится больше, то вход усилителя будет оказывать более сильное шунтирующее действие на генератор, и сигнал, приходящий на вход усилителя, станет меньше. Если RН уменьшается, то шунтируется выход усилителя, и меньшая часть сигнала с выхода усилителя попадает в нагрузку. Таким образом, увеличение RГ и уменьшение RН приводят к уменьшению KU .

Коэффициент усиления по току вычисляется в соответствии со

54

Этот параметр легко пересчитывается из KU , так как IГ UГ RГ и IH UH RH . Таким образом,

цепью усилителя при появлении сигнала UВХ ( IВХ не следует путать с постоянными токами базы, которые возникают при подключении усилителя к источнику питания). Входное сопротивление RВХ дает эквивалентный шунтирующий эффект, который оказывает вся входная цепь усилителя на предшествующую схему (или

Выходное сопротивление усилителя.

Параметр RВЫХ отражает, насколько «упорно» усилитель спосо-

бен «сопротивляться» шунтирующему действию RH . Так, если

RВЫХ мало по сравнению с RH , то передача усиленного сигнала напряжения в нагрузку произойдет практически без потерь.

Высшая fB и низшая fH граничные частоты.

Граничные частоты полосы пропускания усилителя определя-

ются по уровню 0,7 (более точно 12 ) от значения коэффициента

55

усиления KU в полосе пропускания. В усилителе общего назначе-

ния существует некоторая область частот, в пределах которой величина KU не изменяется. Найдя эту величину, можно рассчитать значение: 0,7 KU . После этого необходимо уменьшать частоту входного сигнала, пока коэффициент усиления не окажется равным 0,7 KU . Зафиксированная при этом частота и будет являться низшей граничной частотой. Аналогичным образом следует увеличивать частоту входного сигнала, пока коэффициент усиления опять не уменьшится до значения 0,7 KU и зафиксировать fB. В усили-

телях широкого применения fH обычно бывает от нескольких де-

сятков до нескольких сотен герц, а fB весьма сильно зависит от требований к усилителю и может варьироваться от десятков килогерц до десятков и даже сотен мегагерц.

Амплитудный диапазон усилителя AВЫХ.МАКС.

Под AВЫХ.МАКС понимают наибольшую величину синусоидального сигнала на выходе усилителя, при которой еще нет искажений формы синусоиды.

Описание лабораторного макета

На лабораторном макете (рис. 36.5) представлен простейший усилитель на биполярном транзисторе. Сопротивления датчика имитируются группой резисторов RГ, сопротивления нагрузки –

группой резисторов RH . Схема уже соединена с источником питания (нулевая шина макета соединена с «+» источника питания, а шина EИП – с « - »). Через разделительные конденсаторы C1 и C2 (взять самые большие значения их емкостей) подключить соответственно на вход и выход сопротивления RГ (самое малое) и RH (самое большое). Частота генератора f 1 кГц.

56

Порядок проведения эксперимента

1. Снимите зависимость KU от RГ. Для этого, зафиксировав RH

(самое большое) и изменяя RГ, измерьте UН и UГ по осциллографу. Результат запишите в таблицу 36.1. Постройте график зависимости KU (RГ ).

Таблица 36.1

UГ

UН

KU

KI

2. Снимите зависимость KU от RH . Для этого, зафиксировав RГ

(самое малое) и изменяя RH , измерьте UН и UГ по осциллографу. Результат запишите в таблицу 36.2. Постройте график зависимости

KU (RH ).

Таблица 36.2

UГ

UН

KU

KI

3. По измеренным KU рассчитайте по формуле (36.3) значение

KI для двух случаев. Постройте графики зависимостей KI (RГ ) и

KI (RH ).

58

4. Плавно изменяя чистоту генератора, найдите fH и fB при оп-

тимальных параметрах (C1, C2, RH – самые большие значения но-

миналов, RГ – самое малое).

Контрольные вопросы

1. Из формулы (36.3) можно сделать вывод, что с ростом RГ ве-

личина KI беспредельно увеличивается, однако на самом деле это не так. Почему?

2.Объясните, как возникает усиление в транзисторе.

3.Как надо включить n p n транзистор и как будут распре-

деляться токи в схеме с общим эмиттером?

4. Почему для Hi-Fi аппаратуры используют усилители, fH и fB у которых находится явно за пределом человеческих возможностей (8 40000 Гц)?

Литература

1.Физика – 10 / Под ред. А.А. Пинского. М.: Просвещение.

1995. § 71-73.

2.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1. М.: Мир. 1993. С. 70-87.

РАБОТА 37

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Цель – изучение принципа работы логического элемента «И- НЕ», составление его таблицы истинности, снятие передаточной характеристики ключа-инвертора.

Введение

Основой цифровых схем являются ключевые устройства (или ключи) – аналоги электрических контактов, обладающие двумя устойчивыми состояниями: разомкнутым и замкнутым. Смена со-

59

стояния происходит под действием сигнала, подаваемого на вход. Значения входного сигнала, при которых ключ замыкается и размыкается, называются порогами переключения (UП0 и UП1 ), а об-

ласть между порогами UП U1П UП0 – пороговой зоной. Основным компонентом ключа (ключевым элементом) является нелинейное устройство, два рабочих состояния которого отличаются выходным сопротивлением. В качестве ключевых элементов используют диоды, транзисторы, электронные лампы и т.д.

Схема простейшего транзисторного ключа показана на рис. 37.1,а. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером (см. работу №36). Управляемой (прерываемой) является коллекторная цепь с источником питания EИП и резистором RK . В управляющую (ба-

зовую) цепь включен источник входного напряжения UВХ и резистор RБ. Выходным напряжением UВЫХ для схемы является напряжение между коллектором и эмиттером UКЭ.

Когда входное напряжение равно нулю (UВХ 0), напряжение между базой и эмиттером тоже равно нулю (UБЭ 0) и, следовательно, ток базы IБ равен нулю. Оба p n перехода транзистора: база – эмиттер и база – коллектор включены в обратном направлении, их сопротивление велико и, следовательно, ток коллектора IK равен нулю. Из схемы на рис. 37.1,а видно, что UКЭ EИП IKRK , а так как IK 0, напряжение на выходе близко к напряжению питания UВЫХ EИП. Если напряжение UВХ увеличивается, тогда, при условии что оно не превышает некоторый порог переключения UП0

(рис. 37.1,б), ток базы IБ увеличивается очень слабо. Также ведет себя и ток коллектора IK . Вследствие этого напряжение на выходе

UВЫХ практически не изменяется. О таком режиме работы транзистора (т.е. при UВХ UП0 ) говорят, что транзистор заперт.

Если увеличивающиеся входное напряжение превышает порог переключения UП0 , , переход база – эмиттер включается в прямом направлении, его сопротивление уменьшается, и ток базы IБ резко

60