Усилительные каскады на биполярных транзисторах (90

−S1 – 2; S2 – 2; S3 – 1; S 4 – 2; S5 – 4; S6 – 1.

9.Исследовать частотные искажения, возникающие во входной

−S1 – 4; S2 – 2; S3 – 1; S 4 – 2; S5 – 3; S6 – 1.

Результаты исследований представить в виде графиков

Kвх( f ) = Uб( f ) /UG и Mвх = Uб( f ) /Uб (1 кГц). Сопоставить результаты экспериментальных исследований с теоретическими.

10. По графикам АЧХ, полученным в ходе выполнения предыдущих пунктов, определить и сопоставить между собой значения граничных частот fн и fв при различных вариантах построения

каскада. На основании сопоставления сделать выводы о влиянии на ход АЧХ структуры усилительного каскада.

11.Исследовать искажения импульсного сигнала (см. рис. 3, в)

иих связь с граничными частотами fн и fв.

Для этого в схеме с ОЭ ( S1 – 3; S 2 – 2; S3 – 1; S 4 – 2; S5 – 2; S6 –1) измерить величину спада вершины выходного импульса при частоте следования 40 – 400 Гц. В схемах, исследуемых в п. 8, определить длительность фронта импульса tφ при частоте следова-

ния 4 − 8 кГц. Сопоставить полученные значения и tφ со

значениями, определяемыми из теории. Измерения проводятся при действующем значении напряжения UG порядка 10 мВ.

Содержание отчета:

–таблицы с результатами измерений;

–принципиальные схемы всех исследованных вариантов построения каскадов;

–графики измеренных зависимостей, а также вычисленных с помощью соответствующих соотношений;

–вычисления параметров τ и С по результатам измерений в п. 7;

21

– графики зависимостей Mв( f ) , полученных на основании про-

веденных в п. 1 и п. 8 измерений, а также рассчитанных по формуле;

– графики зависимостей Kвх( f ) и Mвх( f ) по п. 9;

– анализ связи fв и fн с tφ и ;

– анализ результатов исследования и выводы.

Контрольные вопросы

1.Каковы эквивалентные схемы и параметры транзистора как четырехполюсника?

2.Назовите физические параметры транзистора. От чего они зависят?

3.Как определить h-параметры по характеристикам Т?

4.Как оценить теоретически максимальное напряжение на входе усилителя?

5.Перечислите основные параметры усилителя. Как они определяются?

6.Объясните физику зависимости параметров каскада от элементов схемы.

7. Выведите формулы Rвх, Rвых, KU , KI и K p в области средних частот.

8.Охарактеризуйте работу каскада в областях низших и высших частот ( fв, fн,τ в,τ н, KU , tφ ).

9.Что такое переходная характеристика?

Лабораторная работа № 2

Каскад с общей базой

Цель работы: исследовать характеристики транзисторного усилительного каскада по схеме с ОБ.

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

22

Основные формулы

Если вы выполняете эту работу первой в цикле усилительных каскадов, то обязательно прочтите "Краткую теорию" данных методических указаний.

Схема каскада показана на рис. 11. Цепи смещения здесь такие же, как и в каскаде с ОЭ. Конденсатор Cб обеспечивает режим

короткого замыкания базы по переменному току. Величина емкости конденсатора такова, что постоянная времени разряда конденсатора значительно больше периода входного сигнала.

Рис. 11. Принципиальная схема усилительного каскада ОБ

Входное напряжение подается через разделительный конденсатор на эмиттер. Коллекторная цепь каскада не отличается от цепи схемы с ОЭ.

Основные параметры каскада определяются следующим образом:

Для области низших частот отличия от схемы ОЭ нет:

23

τ H1 = C1(RГ + Rвх); τ H 2 = C2 (Rвх + RН ); τ H Б = CбRб .

В области высших частот:

эмиттера γ к – коэффициент токораспределения коллектора, τα – постоянная времени коэффициента передачи тока эмиттера, τ к – постоянная времени коллекторной цепи, γ э – коэффициент токо-

распределения эмиттера.

Сравнение данного каскада с каскадом с ОЭ приводит к следующим заключениям:

1.В каскаде с ОБ усиление по току отсутствует.

2.Усиление по напряжению того же порядка, что в каскаде с

ОЭ.

3. Усиление по мощности значительно меньше, чем в каскаде с ОЭ. Последовательное соединение однотипных каскадов с ОБ невозможно, так как при подстановке в формулу для KU вместо

RH значения Rвх, получается величина, меньшая единицы; а так как KI < 1, то усиление мощности отсутствует.

4.Входное сопротивление каскада мало: всегда меньше, чем в каскаде с ОЭ.

5.Выходное сопротивление определяется здесь главным образом сопротивлением Rк .

24

По вышеперечисленным причинам каскад с ОБ сравнительно мало применяется в схемах усилителей. Преимуществом каскада является то, что характеристики триода с ОБ более прямолинейны, и выходное напряжение (при больших сигналах) менее искажено, чем в каскаде с ОЭ. При одинаковом режиме по постоянному току в каскадах с ОБ и ОЭ, в каскаде с ОБ могут быть достигнуты большие значения выходного неискаженного напряжения. Поэтому каскады с ОБ применяются в качестве выходных, если необходимо обеспечить максимальное значение Uвых. Второе преимущество

заключается в том, что каскад получается более высокочастотным, чем схема ОЭ.

Порядок выполнения работы

Схема каскада выбирается в соответствии с рис. 4.

1. Снять амплитудную характеристику каскада, построить график, определить максимальный входной сигнал ( S1 – 5; S 2 – 2; S3

3.Снять фазо-частотную характеристику каскада. Обязательно измерить фазовый сдвиг на граничных частотах. Сравнить с теорией. Построить график.

4.Определить величину максимального выходного неискаженного напряжения при RН = 910 Ом.

5.Рассчитать максимальную величину переменной составляющей коллекторного тока по измерениям пункта 1.

6.Определить Rвх каскада для RН = 910 Ом.

7.Определить Rвых каскада для RГ = 24 Ом.

Сделать выводы.

При выполнении работы воспользоваться методическими указаниями к лабораторной работе № 1.

25

Контрольные вопросы

1.Объясните механизм работы транзистора в схеме усилителя. Нарисуйте и поясните статические характеристики триода, включенного по схеме с ОБ. Проведите построения, аналогичные сделанным на рис. 7 и рис. 8.

2.Охарактеризуйте основные параметры транзистора: α ; rэ;

rк; rб ; μ эк , Iк0 (рис. 1, а).

3. Почему коэффициент передачи транзистора по току меньше

1?

4.Нарисуйте эквивалентные схемы усилительного каскада с ОБ с физическими и h-параметрами.

5.Приведите формулы и сравните входные и выходные сопротивления каскадов с ОЭ и ОБ.

6.Покажите, что коэффициенты усиления KU каскадов ОЭ и

ОБ одного порядка.

7.Приведите примеры использования каскада с ОБ.

8.Почему схема ОБ не инвертирует фазу входного сигнала?

26

Лабораторная работа № 3

Kaскад с общим коллектором

Цель работы: изучить работу транзистора, включенного по схеме с ОК, и исследовать зависимость характеристик каскада от элементов схемы.

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

Основные формулы

Если вы делаете эту работу первой из усилительных каскадов, то обязательно прочтите "Краткую теорию" методических указаний.

Каскад по схеме ОК (эмиттерный повторитель) показан на рис. 12, а.

Рис. 12. Принципиальная схема эмиттерного повторителя (а) и эквивалентная схема транзистора с ОК (б)

Источник питания Eк, резисторы Rб1, Rб2 и Rэ обеспечивают режим Т по постоянному току. Коэффициент усиления KU схемы не может быть больше единицы, т.к. Uвх = U Н + Uбэ, где U Н – на-

27

пряжение на нагрузке, а Uбэ – на промежутке эмиттер – база Т. Ес-

ли провести опыты холостого хода и короткого замыкания в эквивалентной системе (рис. 12, б), то можно через физические параметры получить h-параметры для схемы ОК.

Расчет дает следующие значения:

С учетом генератора основные параметры будут иметь вид:

В области высших частот:

28

– постоянная времени коллекторной цепи; τ к – постоянная времени коллектора; γ к* – коэффициент токораспределения коллектора, β ое – эквивалентный коэффициент передачи тока базы; γ б – коэф-

фициент токораспределения базы.

Так как входное сопротивление каскада велико, то необходимо

Приведенные соотношения показывают, что:

1.Коэффициент усиления по напряжению KU всегда меньше

1.Величина его зависит от RГ и RН .

2.Rвх зависит от RН , но всегда больше, чем в каскаде с OЭ, и при больших RН может быть весьма значительным.

3.Rвых зависит от RГ , но всегда меньше, чем в каскаде с ОЭ.

4.Коэффициент усиления KI больше, чем в схеме ОЭ.

5.Усиление мощности обычно меньше, чем в каскаде ОЭ, но при малых RН может быть и больше.

Порядок выполнения работы

При выполнении работы воспользуйтесь указаниями, данными

влабораторной работе № 1 (ОЭ).

1.Снимите амплитудную характеристику каскада, постройте график, определите максимальный входной сигнал ОК ( S1 – 2; S 2

– 2; S3 – 3; S4 – 2; S5 – 3, Uб ≈ 0,5 В, UG = 0,07 − 0,08 В).

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 = 500 Ом ( S5 – 3).

5.Рассчитайте максимальную величину переменной составляющей эмиттерного тока Т по измерениям пункта 4.

6.Определите входное сопротивление каскада.

29

7. Определите выходное сопротивление каскада при RГ = 0,33 кОм; 20 кОм.

8.Определите KU каскада.

9.Определите KI и расчитайте KP по данным пункта 8.

Контрольные вопросы

1.Почему коэффициент усиления по напряжению меньше 1?

2.Чем объяснить, что динамический диапазон входных сигналов эмиттерного повторителя значительно больше, чем у других схем включения транзистора?

3.Объяснить, почему в схемах с ОК и ОБ транзистор не меняет, а в схеме с ОЭ изменяет фазу входного сигнала?

4.Как на Т-образной эквивалентной схеме получить основные параметры каскада через физические параметры триода без использования параметров транзистора как четырехполюсника?

5.Какие ограничения накладывает транзистор на выбор элементов схемы каскадов с ОК и источник питания?

6.Приведите примеры применения схемы с ОК.

7.Нарисуйте эквивалентную схему резисторного каскада в области нижних частот. Поясните причину возникновения частотных искажений.

8.Нарисуйте эквивалентную схему резисторного каскада в области верхних частот. Поясните причину возникновения частотных искажений.

9.Какие искажения возникают при усилении резисторным каскадом импульсных сигналов?

10.Какая из возможных схем включения усилительных приборов позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности?

11.Какой каскад необходимо применить на выходе усилителя для согласования с малым сопротивлением нагрузки?

Вопросы для сдачи лабораторных работ

1. Принципиальная электрическая схема усилительного каскада. Назначение элементов.

30