Усилительные каскады на биполярных транзисторах (90

Лабораторная работа № 1

Каскад с общим эмиттером

Цели работы: изучение основных характеристик каскада, приобретение практических навыков построения схем усилительных каскадов, изучение основных факторов, влияющих на ход ампли- тудно-частотной характеристики каскада, знакомство со схемами частотной коррекции, исследование искажений импульсного сигнала.

Приборы: лабораторный стенд, вольтметр переменного тока, фазометр, осциллограф.

Краткая теория

Одна из возможных схем каскада с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. 5. Ток смещения коллекторной и базовой цепи обеспечивается общим источником питания Eк и резисторами Rб и Rк .

Рис. 5. Простейший усилительный каскад ОЭ

Семейство входных характеристик p-n-p-транзистора, включенного по схеме с ОЭ, приведено на рис. 6. Эти характеристики для разных Uкэ расположены близко друг к другу, что говорит о

слабом влиянии выходной цепи на входную (малая величина μ эк).

11

нагрузочной прямой и ограничены режимами отсечки и насыщения транзистора. Наибольшее выходное напряжение достигается тогда, когда точка покоя расположена примерно посередине линии нагрузки для переменного тока.

Iк

Eк Rк

t

Рис. 8. Выходные характеристики транзистора по схеме с ОЭ

На рис. 9 показан каскад с ОЭ, где расположение точки покоя определяется источником напряжения Eк и резисторами Rб1, Rб2 ,

Rк и Rэ. Здесь, благодаря резистору Rэ, вводится обратная связь по

постоянному току, что увеличивает стабильность работы каскада при изменении окружающей температуры. Чем больше Rэ, тем

глубже обратная связь и выше температурная стабильность схемы. При этом напряжение на базе (возникающее при изменении токов из-за изменения внешней температуры) должно быть минимальным. Это может быть достигнуто только при малых Rб1 и

Rб2 , но при этом вход каскада будет шунтирован для переменного

тока сопротивлением: Rб = Rб1Rб2 .

Rб1 + Rб2

14

включается параллельно Rэ, чтобы исключить отрицательную

обратную связь по переменному току, которая уменьшает усиление каскада. Для полного исключения обратной связи по переменному току величина емкости конденсатора Cэ должна быть такой, чтобы

постоянная времени разряда была много больше, чем период входного сигнала.

На рис. 10 приведена схема каскада с ОЭ для переменного тока. Транзистор представлен эквивалентной схемой в h -параметрах.

При введении в каскад обратной связи по переменному току в формулы основных величин каскада необходимо вместо rэ подста-

15

вить rэ + R0 , где R0 – сопротивление в эмиттерной цепи, незашунтированное конденсатором Cэ.

Эквивалентная схема такого каскада приведена на рис. 10, б. Введение обратной связи увеличивает входное сопротивление каскада и уменьшает коэффициент усиления по напряжению.

б)

Рис. 10. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ в h-параметрах (а) и в физических параметрах (б)

Коэффициент усиления каскада по мощности K р определяется

отношением мощности переменного тока в нагрузке к мощности переменного тока на входе, или так: K р = KI KU .

Для области низших частот:

16

τ к′ = (1 − γ к ) τ к = Ск(rк Rк RH ).

Здесь τ оe – эквивалентная постоянная времени в области высших частот, βоe – эквивалентный коэффициент передачи тока

базы, γ к – коэффициент токораспределения коллектора, τ β – постоянная времени коэффициента передачи тока базы β , τ к′ – постоянная времени коллекторной цепи.

Порядок выполнения работы

Исследование различных схем транзисторных усилителей проводится в условиях, когда не проявляются нелинейные и инерционные свойства усилительного прибора. С этой целью все измерения следует проводить на частоте входного сигнала, равной 1 кГц при напряжении на выходе встроенного генератора UG ≈ 10 − 30 мВ.

Во всех экспериментах, если это не оговорено особо, измерения проводятся при постоянной составляющей эмиттерного тока Iэ0 от

2 до 6 мА. Регулировка эмиттерного тока осуществляется изменением напряжения смещения на базе транзистора (ручка

Eсм), а величина Iэ0 определяется из соотношения Iэ0 = URэ80 ( S 4 в

положении 2).

Измерение напряжений производится с помощью встроенного мультиметра "перелистыванием страниц" жидкокристаллического дисплея кнопками " < " и " > ". Кнопка "Значение" позволяет выводить постоянную составляющую или действующее значение измеряемого параметра и изменяет разрядность результата измерений.

ВНИМАНИЕ! При изменении положения переключателя S2 необходимо заново произвести установку эмиттерного тока.

17

Самостоятельно выбрать схему исследуемого каскада с помощью переключателей S1– S6 .

1.Снимите амплитудную характеристику каскада, постройте график, определите максимальный входной сигнал.

2.Снимите амплитудно-частотную характеристику, определите нижнюю fн и верхнюю fв граничные частоты, постоянные вре-

мени τ н и τ в . Постройте график зависимости KU от f и KU (t) .

3.Снимите ФЧХ каскада. Обязательно измерьте фазовый сдвиг на граничных частотах. Сравните с теорией. Нарисуйте график.

4.Определите величину и зарисуйте форму максимального

выходного напряжения при RН = 910 Ом ( S1 – 3; S2 – 1; S3 – 4; S 4

–2; S5 – 1; S6 – 1).

5.Рассчитайте максимальную величину переменной составляющей коллекторного тока Т по измерениям п. 4.

6.Определите экспериментально Rвх каскада при RН = 910 Ом.

9.Определите KI и рассчитайте K p .

10.Определите величину максимального выходного напряже-

Указания к проведению работы

1. Исследования ведутся в двух частотных областях: в области низких частот ( f < 1 кГц) и в области высоких частот ( f > 1 кГц).

Поставив переключатели S2 и S 4 в положение 2 с помощью потенциометра Eсм, обеспечить номинальный режим работы транзи-

стора ( Iэ0 = 2,0 − 6,0 мА).

Для снятия АЧХ подключите на вход схемы генератор, на выход – осциллограф и вольтметр переменного тока.

18

ВНИМАНИЕ! При изменении положения переключателя S2 необходимо заново произвести установку эмиттерного тока.

Для этого, установив на частоте 10 Гц уровень входного сигна-

ла UG ≈ 10 − 30 мВ. ОЭ ( S1 – 2; S2 – 2; S3 – 4; S 4 – 2; S5 – 1; S6 - 1),

меняя частоту генератора от минимальной, запишите значения выходного напряжения от частоты. Осциллографом контролируйте форму выходного сигнала. При появлении видимых искажений уменьшите входное напряжение и заново повторите измерения.

2. Для измерения амплитудной характеристики подключите на вход генератор и вольтметр, а на выход – вольтметр и осциллограф. Установите UG = 0 и частоту, соответствующую области

средних частот каскада по измерениям АЧХ. Увеличивая постепенно напряжение на выходе, снимите амплитудную характеристику. Измерения прекратите при появлении на осциллограмме искажений типа "ограничение".

3. Экспериментально Rвх каскада можно определить следующим образом. При каком-то небольшом R′Г на вход каскада

подается сигнал от генератора так, чтобы выходное напряжение было меньше допустимого, и измеряется выходное напряжение и

значении RГ'' > RГ' (выбрать с помощью переключателя S1)

напряжение генератора увеличивается до такой величины, чтобы выходное напряжение стало равным напряжению при первом измерении, что соответствует прежнему входному току. Отсюда:

напряжение, соответствующее двум значениям сопротивления на-

такое значение входного сигнала, чтобы выходное напряжение не

было искажено. Рекомендуется брать R′ < R′′ .

H H

19

5. В области НЧ ( f < 1 кГц) исследовать зависимость от частоты f передаточных свойств разделительной цепи и транзистора в

каскаде OЭ ( S1 – 1; S3 – 1; S5 – 2; S6 – 1). Для этого, установив на частоте 10 Гц уровень входного сигнала UG ≈ 10 − 30 мВ и далее не

изменяя уровень UG , измерить частотные зависимости напряжений

UG , Uк.

Сопоставить полученные результаты с теоретическими, определяемыми соотношениями (для этого представить в общих координатных осях графики теоретических и экспериментальных зависимостей).

6. В области низких частот ( f < 1 кГц) исследовать корректи-

рующее влияние на ход АЧХ частотно-зависимой нагрузки; для этого при положении 5 переключателя S3 и установленном ранее уровне входного сигнала измерить частотную зависимость коэффициента передачи каскада K = K p K f = Uк /UG . По результатам

измерений вычислить и представить в виде графика зависимость M ( f ) = K ( f ) / K0 , где K0 – значение коэффициента передачи каска-

да K ( f ) на частоте 1 кГц.

7. Измерить частотные характеристики и определить значения параметров τ и С, задающих ход НАЧХ Мв в области верхних

частот.

Для этого при UG ≈ 13 мВ снять в схеме с ОЭ ( S1 – 2; S2 – 2;

S3 – 4; S 4 – 2; S5 – 1; S6 – 2) частотную характеристику коэффициента передачи каскада в диапазоне частот от 1 кГц и выше при

частотные характеристики коэффициента передачи для следующих наборов положений переключателей:

20