Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные и микропроцессорные устройства. Учебное пособие
.pdf
Назначение элементов каскада с общим истоком (ОИ): С1, С2 – разделительные конденсаторы; R
току для температурной стабилизации режима покоя; С
по переменному току (рис. 24).
R
и
, Rз – задают режим покоя; Rи – ООС по
и
– шунтирует
и
Линия нагрузки по переменному току определяется соотношением
сопротивлений R
\\Rи. В целом каскад аналогичен каскаду с ОЭ.
с
Входное сопротивление определяется сопротивлением в цепи затвора R
ром в цепи стока R
(1…2 МОм). Выходное сопротивление определяется резисто-
з
(около 103 Ом).
с
1.6. Усилительный каскад с общим стоком
Каскад с общим стоком (ОС) близок по работе к каскаду с ОК.
Другое его название – истоковый повторитель (рис. 25). Нагрузка каскада по постоянному току – резистор в цепи истока (R
када по переменному току – R
\\Rн.
и
Рис. 25. Каскад с ОС
Выходное сопротивление приближенно равно 1/S (от 100 Ом до
3 кОм). Входное сопротивление больше, чем входное сопротивление в
каскаде с ОИ.
). Нагрузка кас-
и
1.7. Усилительный каскад с общим затвором
Этот каскад обладает низким входным сопротивлением и поэтому
практически не применяется.
Практическое задание 1
Исследование однокаскадных усилителей
Цель работы: изучение принципа действия однокаскадных усилителей на биполярных и полевых транзисторах.
Исследовательский стенд содержит встроенный генератор синусоидального напряжения с регулируемой амплитудой и частотой. Соеди-
41
нение выхода генератора со входом схемы осуществляется посредством соединительного шнура.
Мощность электрического сигнала, поступающего с выхода усилителя в цепь нагрузки, значительно превосходит мощность входного
сигнала. Это увеличение мощности достигается за счет передачи мощности в нагрузку от источника питания. Работа усилителя переменных
сигналов характеризуется следующими параметрами: коэффициентом
усиления по
току; коэффициентом усиления по напряжению; коэффициентом усиления по мощности; входным сопротивлением каскада;
выходным сопротивлением каскада.
Качественным показателем работы усилителя является точность
воспроизведения усиливаемого сигнала. Искажение формы выходного
сигнала происходит за счет нелинейности характеристик транзистора и
за счет присутствия реактивных элементов (при несинусоидальном
сигнале на входе). В зависимости от того,
какой из электродов является общей точкой по переменной составляющей для входной и выходной цепей, эти схемы называют: каскад с ОЭ, с ОК и т. д.
Программа работы
1. Снять амплитудные характеристики kU = f(Uвх) или U
= f(Uвх)
вых
при сопротивлении генератора 1 и 10 кОм при стабилизации режима
покоя (не менее семи точек на каждую характеристику), при этом
U
= var, a fвх = const.
вх
2. Снять частотную характеристику k
генератора (R
f
= var.
вх
) 1 кОм (не менее 11 точек), при этом Uвх = const, a
Г
= g(fвх) при сопротивлении
U
3. Исследовать влияние сопротивления нагрузки и напряжения питания на коэффициент усиления каскада. Для этого при неизменной
амплитуде входного сигнала определить, как изменяется амплитуда
выходного напряжения при изменении регулируемого параметра. Выводы по наблюдениям записать в отчет.
4. Снять осциллограммы в характерных точках схемы.
5. Снять осциллограмму при видимых нелинейных искажениях и
пояснить, каким образом получены эти искажения.
6. Построить графики (в одних координатных осях) k
R
= 1 кОм и RГ = 10 кОм для каждой исследованной схемы.
Г
7. Построить графики (в одних координатных осях) k
= 1 кОм для всех исследованных схем.
R
Г
42
= f(Uвх) при
U
= f(Uвх) при
U
8. Построить графики (в одних координатных осях) kU = f(Uвх) при
R
= 10 кОм для всех исследованных схем.
Г
9. Построить зависимости (в одних координатных осях) k
= g(fвх)
U
для всех исследованных схем.
10. Сделать сравнительный анализ усилительных каскадов.
Контрольные вопросы и задания
1. Объяснить принцип стабилизации режима покоя.
2. Какая схема называется каскадом с ОЭ, ОК, ОБ, ОИ, ОС?
3. Провести сравнительную оценку каскадов.
4. В чем причины возникновения нелинейных искажений выходно-
го напряжения?
5. Нарисовать схемы замещения транзисторов.
6. Пояснить режимы работы каскадов усиления.
7. Как производится выбор точки покоя в режиме класса А?
Примеры транзисторных схем
Данные схемы являются дополнительным материалом, предназначенным для лучшего понимания работы транзисторных схем. Попытайтесь разобраться в их работе, опираясь на изученный материал и
краткое описание, приведенное ниже.
Пример 1. Стабилизированный источник напряжения (рис. 26)
предназначен для получения стабилизированного напряжения на выходе из нестабилизированного напряжения на входе.
Рис. 26. Источник напряжения
43
Через резистор R1 транзистор VT1 открывается. Когда напряжение
на выходе достигнет напряжения стабилизации, транзистор VT
откры-
2
вается, и дальнейшее увеличение выходного напряжения предотвращается за счет отвода тока с базы транзистора VT
стор VT
. Изменением величины сопротивления резисторов R2, R3
2
через транзи-
1
можно регулировать уровень выходного напряжения.
Пример 2. Схема включения звуковой сигнализации в автомобиле
при наличии водителя за рулем (датчик – ключ SQ
бы одной двери (датчики – ключи SQ
Если дверь открыта, то ключи SQ
нет, то ключ SQ
разомкнут. Транзисторы данной схемы работают в
3
, SQ2) изображена на рис. 27.
1
, SQ2 замкнуты. Если водителя
1
) и открытой хотя
3
ключевом режиме. НА – звонок.
Если водителя нет, то ключ SQ
открыт, а следовательно, транзистор VT
Если водитель есть (ключ SQ
VT
закрыт, и если хотя бы одна дверь открыта (замкнуты ключи SQ1
2
или SQ
VT
), то транзистор VT1 закрыт. При закрытых транзисторах VT1,
2
транзистор VT3 открыт и подается звонок.
2
Когда все двери закрыты (ключи SQ
стор VT
открыт, следовательно, транзистор VT3 закрыт и звонка нет.
1
Диод VD
защищает транзистор VT3 при переходных процессах в
4
индуктивности, возникающих при отключении звонка. Диод VD
держивает транзистор VT
SQ
или SQ2, компенсируя падение напряжения на диодах VD1, VD2.
1
в закрытом состоянии при замкнутом ключе
1
разомкнут, поэтому транзистор VT2
3
закрыт и звонка нет.
3
замкнут), следовательно, транзистор
3
, SQ2 разомкнуты), то транзи-
1
под-
3
Рис. 27. Звуковая сигнализация
44
2. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Связь источника сигнала со входом усилителя и межкаскадные
связи в УПТ не могут быть осуществлены посредством конденсаторов
или трансформаторов, так как на постоянном токе коэффициент усиления станет равным нулю, что недопустимо для УПТ. Поэтому в УПТ
обеспечивается непосредственная связь, что обусловливает особенности задания режима покоя.
В многокаскадных усилителях с
каждого каскада по постоянному току независим от соседних каскадов,
и изменение режима одного каскада по постоянному току не влияет на
режимы покоя других каскадов и не сказывается на величине выходного напряжения.
В УПТ нет разделения каскадов по постоянному току. В связи с
этим выходное напряжение определяется
ным сигналом, но и ложным сигналом, возникающим из-за изменения
параметров режима покоя. Особенно нежелательны эти изменения в
первых каскадах, поскольку они будут усиливаться последующими.
Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при постоянном входном сигнале называется дрейфом усилителя. Причины
дрейфа: нестабильность напряжения питания, температурная и временная
нестабильность параметров транзисторов и резисторов. Качество УПТ определяют по напряжению дрейфа, приведенного ко входу
усилителя: е
др
= U
вых.др/ku
. Причем дрейф на выходе U
при закороченном входе по приращению выходного напряжения.
Эта величина (е
) обусловливает минимальное значение входного
др
сигнала, которое может усиливать УПТ. В зависимости от требований
минимальное значение входного напряжения принимают в десятки и
сотни раз больше напряжения дрейфа, приведенного ко входу.
Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является приме-
нение параллельно-балансных (дифференциальных) каскадов.
конденсаторной связью режим
не только усиленным полез-
снимают
вых.др
Дифференциальный каскад
Рассмотрим параллельно-балансный каскад (рис. 28). Коллекторные резисторы R
диагонали которого подключен двуполярный источник питания, а в
другую диагональ между коллекторами транзисторов включается
нагрузка.
, Rк2 и транзисторы VT1, VT2 образуют мост, к одной
к1
45
Рис. 28. Дифференциальный каскад
Для удобства подключения источника сигнала и нагрузки к усилителю в схеме используются два источника питания: –U
этом упрощается задача подключения U
создается необходимое напряжение U
и Rн. За счет –Uп в каскаде
вх
при нулевом потенциале базы.
бэ
и +Uп. При
п
Это дает возможность заземлять источник входного сигнала и включать его непосредственно в цепь базы транзистора VT
В режиме покоя U
кп1
= U
кп2
и U
вых
= U
кп1
– U
.
1
= 0 при полной сим-
кп2
метрии схемы. Ток источника тока делится поровну между транзисторами, базовые токи одинаковы. Высокая стабильность схемы объясняется тем, что при изменении питания или при одинаковых изменениях
параметров транзисторов потенциалы коллекторов получают равные
приращения и U
др.вых
= U
кп1
– U
= 0. На практике из-за несимметрии
кп2
схемы имеется дрейф нуля, но он существенно меньше, чем в других
схемах.
Дифференциальный каскад допускает подачу входного напряжения
как от двух источников сигнала, так и от одного. Рассмотрим работу
схемы. Пусть входной сигнал первого источника положительный, а
второго – равен нулю. При положительном потенциале базы ток
базы VT1 возрастает, что вызывает возрастание тока эмиттера VT1.
В результате по первому закону Кирхгофа ток эмиттера VT
ется. Возрастание тока коллектора VT
ния коллектор–эмиттер VT
тока коллектора VT
эмиттер VT
формуле U
на ту же величину. Выходное напряжение определим по
2
= 2U.
вых
(см. рис.19) на величину U, а уменьшение
1
ведет к увеличению напряжения коллектор–
2
ведет к уменьшению напряже-
1
уменьша-
2
В эмиттерной цепи стоит источник тока. В схему источника стабильного тока (рис. 29) входят резисторы R
, R2, R3, источник пита-
1
46
ния –Uп (рис. 28), транзистор VT4 в диодном включении (элемент
температурной стабилизации) и источник стабильного тока – транзистор VT
.
3
Рис. 29. Источник тока
При изменении параметров транзистора VT3 вследствие изменения
температуры будут меняться и параметры транзистора VT
. Пренебре-
4
гая разностью падений напряжений на переходах база–эмиттер транзисторов VT
, VT4, по второму закону Кирхгофа определим величину то-
3
ка источника тока
I
= I
R2 / R3.
э
VT4
Величина тока I
тания (–U
) и резисторов R1, R2. Следовательно, величина тока источ-
п
зависит от величины напряжения источника пи-
VT4
ника тока практически не зависит от температуры.
Синфазный сигнал
При подаче на оба входа сигналов одинаковой полярности выходной сигнал будет определяться разностью входных напряжений (дифференциальный сигнал). При этом к обоим входам приложено одинаковое напряжение, равное меньшему из сигналов (синфазный сигнал).
При равенстве параметров схемы выходной сигнал от действия синфазного напряжения равен нулю.
Практически возникает так называемая
приобретает особо важное значение в многокаскадных схемах усиления. В справочных данных указывается коэффициент ослабления синфазного сигнала:
k
= 20 lg(k
ОСС
47
синфазная ошибка, которая
/ k
диф
).
синф
Этот коэффициент показывает способность различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного напряжения.
Токовое зеркало
Иногда вместо резисторов в коллекторной цепи дифференциального каскада используют транзисторы, играющие роль динамических
нагрузок каскада (рис. 30). Такие схемы позволяют повысить общий
коэффициент усиления. Транзистор VT
Ток коллектора, протекающий через VT
на переходе база–эмиттер этого транзистора, задавая U
вательно, ток базы VT
то ток коллектора VT
. Поскольку транзисторы близки по параметрам,
6
будет равен коллекторному току VT5. Это свой-
6
используется в качестве диода.
5
, создает падение напряжения
5
VT6, и, следо-
бэ
ство получило название токового зеркала.
Рис. 30. Токовое зеркало
Практическое задание 2
Исследование усилителей постоянного тока
Цель работы: изучить работу УПТ на транзисторах и на ИМС,
снять амплитудные характеристики усилителей, определить дрейф нуля и коэффициент усиления по напряжению, провести сравнительный
анализ УПТ.
Принципиальная электрическая схема УПТ на транзисторах изображена на лицевой панели исследовательского стенда. В качестве первых двух каскадов усиления служат параллельно-балансные каскады
третий каскад с разделенной нагрузкой связан с выходом второго потенциометрической связью.
Рассмотрим параллельно-балансный каскад. Коллекторные резисторы R
и Rк2 и транзисторы VT1, VT2 образуют мост, к одной диаго-
к1
нали которого подключен источник питания, а в другую диагональ
между коллекторами транзисторов включается нагрузка. В режиме покоя U
кп1
= U
кп2
и U
вых
= U
кп1
– U
= 0 при полной симметрии схемы.
кп2
48
,
Высокая стабильность объясняется тем, что при изменении питания или при одинаковых изменениях параметров транзисторов потенциалы коллекторов получают равные приращения и U
– ∆U
= 0. В реальной схеме из-за несимметрии имеется дрейф нуля.
кп2
= ∆U
др
кп1
–
В качестве эмиттерного резистора используется потенциометр с
выводом средней точки, что позволяет балансировать каскад (устанавливать нуль выходного напряжения при нулевом входном сигнале, т. е.
устранять напряжение смещения нуля).
Для удобства подключения источника сигнала и нагрузки к усилителю в схеме
этом упрощается задача подключения U
каскаде создается необходимое напряжение U
используются два источника питания: –Еп1 и +Еп1. При
и Rн. За счет +Еп1 в первом
вх
при нулевом потенци-
бэ
але базы. Это дает возможность заземлять источник входного сигнала
и включать его непосредственно в цепь базы транзистора VT
стор R
включен для симметрии схемы. Напряжение с выхода первого
g1
. Рези-
1
каскада подается на вход второго, выполненного с симметричным входом и несимметричным выходом.
Для нормального режима работы потенциалы эмиттеров VT
должны быть согласованы с потенциалами коллекторов VT
ходное напряжение снимается с коллектора VT
– несимметричный
3
, VT4
3
, VT2. Вы-
1
выход. Дрейф в этой схеме больше, чем у первого каскада, так как выходное напряжение снимается лишь с одного коллектора. Однако стабильность и коэффициент усиления выше, чем в одиночном каскаде.
Стабильность еще увеличивается за счет потенциометра R
.
2
В качестве третьего каскада для удобства подсоединения нагрузки
к выходу схемы используется каскад с разделенной нагрузкой со сдвигом уровня. Связь между вторым и третьим каскадом осуществляется
через R
R
св
тере VT
получать потенциал коллектора VT
малый коэффициент усиления из-за ООС на R
усиления схемы k
– R, причем резистор R подключается к шине +Еп1. Выбором
св
, R, Rэ3 обеспечиваются положительные потенциалы на базе и эмит-
относительно земли, что дает возможность в режиме покоя
5
, равный нулю. Этот каскад имеет
5
. Общий коэффициент
э3
= k1k2gk3, где g – коэффициент передачи цепи связи
u
между вторым и третьим каскадами.
УПТ на основе микросхем получили более широкое применение.
Эти усилители имеют высокий коэффициент усиления, большое входное сопротивление, малое выходное сопротивление, при этом дрейф
нуля очень мал.
49
Программа работы
1. Исследовать УПТ на транзисторах.
1.1. Определить коэффициент усиления по напряжению. Для этого:
– установить Е
– сбалансировать усилитель потенциометром R
мального напряжения на выходе УПТ при U
– установить максимальное U
напряжение;
– рассчитать коэффициент усиления.
1.2. Определить режим покоя усилителя (U
Измерить потенциалы коллекторов, эмиттеров, баз всех транзисторов относительно корпуса. Определить для всех транзисторов разности
потенциалов база–эмиттер и коллектор–эмиттер. Результаты свести в
таблицу.
1.3. Определить дрейф нуля (U
– сбалансировать усилитель потенциометром R
– уменьшив напряжение питания от 12,8 В до нуля с шагом в 2 В,
снять зависимость выходного напряжения от напряжения питания;
– построить график зависимости U
1.4. Снять амплитудную характеристику усилителя, для чего изме-
нить значение входного напряжения и снять зависимость U
2. Исследовать УПТ на ИМС.
2.1. Определить коэффициент усиления по напряжению. Для этого
установить напряжение питание Е
ходное напряжение при максимальном входном напряжении.
2.2. Определить дрейф нуля. Для этого снять зависимость выходного напряжения от напряжения питания Е
фик зависимости U
УПТ на транзисторах.
3. Провести сравнение обеих схем.
= 12,8 В;
п1
= 0);
и замерить входное и выходное
вх
= 0). Для этого:
вх
= 12,8 В и замерить входное и вы-
п2
= f(Eп) в тех же координатных осях, что и для
вых
вх
вх
= f(Eп).
вых
при Uвх = 0. Построить гра-
п2
(добиться мини-
1
= 0).
;
1
вых
= f(Uвх).
Контрольные вопросы
1. Каковы особенности УПТ?
2. Какие способы согласования каскадов вы знаете?
3. Как сбалансировать дифференциальный каскад?
4. Что такое напряжение смещения нуля и дрейф нуля, приведенный ко входу?
5. Какова роль цепочки связи и ее влияние на коэффициент усиления?
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]