Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника и электроника. Электроника на оборудовании Uni-Train. Лабораторный практикум
.pdf
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОКАСКАДНЫХ
УСИЛИТЕЛЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ
ТРАНЗИСТОРАХ
(4 часа)
Цель работы
1 Получить навыки работы с интерфейсным модулем
UniTrain.
2 Научиться работать с измерительными приборами.
3 Изучить влияние положения рабочей точки в режиме
покоя на входных и выходных характеристиках транзисторов
и величины усиливаемого напряжения на выходное напряжение каскада усиления.
4 Исследовать влияние отрицательных обратных связей
в каскаде усиления с общим эмиттером.
5 Изучить усилительный каскад с общим коллектором.
Теоретическое введение
При решении многих инженерных задач, например при
измерении электрических и неэлектрических величин, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает
необходимость в усилении электрических сигналов. Этой цели
служат электронные усилители. В современных усилителях,
широко применяемых в промышленной электронике, используются транзисторы.
Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад
с общим эмиттером. В этом каскаде эмиттер является общим
электродом для входной и выходной цепей, а резистор Rк (рисунок 3.1), с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора.
41
Рисунок 3.1. Схема усилительного каскада
с общим эмиттером без обратных связей
Сопротивление резистора Rк выбирают исходя из требуемого усиления входных сигналов, так как коэффициент
усиления сигнала прямо пропорционален этому сопротивлению. Резистор Rб, включенный в цепь базы, обеспечивает
требуемую работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного усиливаемого сигнала. Изменяя величину этого сопротивления, можно изменить положение рабочей точки
транзистора, что скажется на форме усиленного выходного
сигнала. В усилителе действуют два источника: источник постоянной ЭДС (источник питания) Eк и источник усиливаемого переменного напряжения eвх. Полярность источника
электрической энергии (источника питания) с ЭДС Eк по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора VT.
На рисунке 3.1 представлена схема с транзистором типа n-p-n
(такие транзисторы чаще всего используются в интегральных
микросхемах). В таких транзисторах напряжение питания
Eк = +(10 - 30) В. Конденсаторы С и Cс служат для разделе-
42
ния сигнала - предотвращают попадание на вход каскада и
на нагрузку на выходе схемы постоянной составляющей тока
(от действия источника питания), например, чтобы при усилении синусоидального входного сигнала на выходе каскада
усиленный сигнал не складывался с постоянной составляющей напряжения питания.
Анализ работы любого усилителя начинают с режима
покоя, т.е. при uвх = 0, который определяется рабочей точкой транзистора с определенными значениями токов базы
Iбп и коллектора Iкр и напряжений Uбп и Uкп. Для усиления
входных сигналов с минимальными линейными искажениями рабочую точку выбирают на середине линейного участка
переходной характеристики транзистора Iк = f(Iб), которую
получают графическим способом, используя входные и выходные характеристики биполярного транзистора.
На практике для транзисторов малой и средней мощности токи транзистора и напряжения на нем в режиме покоя
для схемы рисунка 3.1 выбирают приблизительно такими:
Uкп ≈ Eк/2; Iкп ≈ (Eк/2)/Rк; Iбп ≈ Iкп/h21.
При этом Uбп ≈ 0,3 В для германиевых и Uбп ≈ 0,65 В для
кремниевых транзисторов.
Указанный режим обеспечивается сопротивлением резистора Rб, определяемым по формуле
Rб = (Eк - Uбп)/Iбп ≈ Eк/Iбп.
При подаче на вход усилителя синусоидального входного напряжения uвх на выходе каскада получается усиленный
сигнал. Выходное напряжение усилительного каскада численно равно и противоположно по фазе переменной составляющей
падения напряжения на резисторе Rк, т.е. u
этом выходное сопротивление каскада усиления R
= - Rк × iк. При
вых
≈ Rк. Для
вых
входного напряжения справедливо соотношение uвх = Rвх × iвх,
где Rвх - входное сопротивление усилительного каскада, примерно равное входному сопротивлению транзистора Rвх ≈ h11,
а iвх ≈ iб. Благодаря тому, что коллекторный ток во много раз
превышает ток базы, а сопротивление Rк (R
), как прави-
вых
ло, больше Rвх, выходное напряжение усилительного каскада
с общим эмиттером получается во много раз больше входного
43
напряжения, что характеризует данный каскад как усилитель
′
= -
′ ′′
+
кб
бэ э э
бб
.
ER
U RI
RR
напряжения с коэффициентом усиления
KU = U
вых/Uвх
≈ (h21×Rк)/h11.
Если изменения входного напряжения укладываются
в линейные участки входной и переходной характеристик, то
форма выходного напряжения будет соответствовать форме
входного напряжения. В частности, при подаче на вход усилительного каскада синусоидального напряжения выходное напряжение будет также синусоидальным.
Таким образом, чтобы при подаче на вход каскада усиления синусоидального сигнала на выходе получить неискаженный по форме сигнал, необходимо не только правильно
выбрать рабочую точку, но и подавать на вход схемы сигнал,
не превышающий значения u
вх max
.
Существенным недостатком биполярных транзисторов
является зависимость их параметров от температуры. При
повышении температуры транзистора увеличивается коллекторный ток за счет возрастания числа неосновных носителей
заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению коллекторных характеристик транзистора, что вызывает смещение
рабочей точки и возможность выхода ее за пределы линейного
участка переходной характеристики, а следовательно, и к искажению усиленного сигнала на выходе каскада усиления.
Для уменьшения влияния температуры на работу усилительного каскада с общим эмиттером в цепь эмиттера включают резистор Rэ, шунтированный конденсатором Cэ (рисунок 3.2).
В цепь базы для создания начального напряжения смещения Uбэ между базой и эмиттером применен делитель Rб′,
Rб″. Напряжение Uбэ зависит от сопротивлений резисторов:
При наличии резистора Rэ увеличение эмиттерного тока
Iэ ≈ Iк из-за повышения температуры приводит к возрастанию
падения напряжения на резисторе Rэ. Это вызывает снижение
потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера (см.
44
формулу предыдущего абзаца), а следовательно, уменьшение
токов Iэ и Iк. Ясно, что уменьшение коллекторного тока под
действием резистора Rэ не может полностью скомпенсировать
его рост за счет повышения температуры, но влияние температуры на силу тока Iк при этом во много раз снижается.
Рисунок 3.2 – Усилительный каскад
с общим эмиттером при наличии отрицательной
обратной связи Rэ – С
э
Введение резистора Rэ при отсутствии конденсатора изменяет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного усиливаемого напряжения.
Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе падение напряжения uэ = Rэiэ, которое уменьшает напряжение, подводимое к транзистору:
uбэ = uвх - Rэ×iэ.
Коэффициент усиления усилительного каскада при
этом будет уменьшаться. Явление уменьшения усиливаемого
напряжения называется отрицательной обратной связью.
45
Под обратной связью понимают передачу части выходного
+
-
= -j
=j -j
вых max к к
вых max к э
;
.
UE
U
=
вхmax
вхmax
,
U
U
u
K
сигнала усилителя на его вход. Если эта передача снижает
усиливаемое напряжение, то обратную связь называют отрицательной. Для ослабления отрицательной обратной связи
параллельно резистору включают конденсатор Cэ. Емкость
конденсатора Cэ выбирают таким образом, чтобы для самой
низкой частоты усиливаемого напряжения его сопротивление
было много меньше Rэ (обычно Xсэ = 0,1×Rэ). При этом падение напряжения на участке Rэ, Cэ от переменной составляющей iэ будет незначительным, поэтому усиливаемое напряжение практически равно входному напряжению uбэ ≈ uвх.
Схема рисунка 3.2 наиболее часто применяется в усилителях напряжения на биполярных транзисторах. Здесь так
же, как и в схеме рисунка 3.1, необходимо правильно выбрать
рабочую точку и величину u
, чтобы выходной сигнал без
вх max
искажения повторил форму входного усиливаемого сигнала.
Для определения u
можно воспользоваться реко-
вх max
мендуемым для схемы рисунка 3.2 в режиме покоя распределением потенциалов: jк ≈ (2/3)Eк; jэ ≈ (1/3) Eк. При подаче
на вход каскада усиления синусоидального сигнала одна половина синусоиды усиливается между +Eк и коллектором, а
вторая - между коллектором и эмиттером. Тогда можно определить амплитуды усиленных выходных положительных
+
U и отрицательных
вых max
-
U полуволн синусоиды:
вых max
Если полученные значения не равны друг другу, то выбирают меньшее из них и определяют максимальное значение
входного сигнала по формуле
где KU – коэффициент усиления каскада.
Схема усилительного каскада с общим коллектором
представлена на рисунке 3.3.
46
Рисунок 3.3 – Схема усилительного каскада
с общим коллектором
В этом каскаде основной резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь,
а коллектор по переменной составляющей тока и напряжения соединен непосредственно с общей точкой усилителя,
так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении
источника коллекторного напряжения от переменной составляющей тока незначительно. Таким образом, можно
считать, что входное напряжение подается между базой и
коллектором через конденсатор C, а выходное напряжение,
равное падению напряжения на резисторе Rэ, от переменной
составляющей эмиттерного тока снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи Cс, т.е. коллектор является общим электродом для входа и выхода. Рабочая точка выбирается исходя из того, чтобы в режиме покоя
47
Uэп ≈ 0,5Eк. В усилительных каскадах с общим коллектором
температурная стабилизация обеспечивается основным резистором Rэ, включенным в эмиттерную цепь. В таком каскаде выходное напряжение повторяет фазу входного напряжения, т.е. фаза выходного напряжения практически
совпадает с фазой входного. Коэффициент усиления по напряжению в таких каскадах обычно KU ≈ 0,90–0,99. Поэтому такой каскад носит название «эмиттерный повторитель».
В этих усилительных каскадах Rвх примерно в 1+h21 раз
больше, а R
– в 1+h21 раз меньше, чем в усилителе с об-
вых
щим эмиттером. Обычно для транзисторов малой и средней
мощностей Rвх составляет несколько килоом, а R
вых
коле-
блется от нескольких до десятков Ом.
Таким образом, эмиттерный повторитель имеет большое
входное и малое выходное сопротивления, поэтому его применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством.
Оборудование для проведения работы
и объекты исследования
Работа проводится на оборудовании UniTrain. В качестве исследуемой платы используется плата «Основные схемы включения транзистора» SO4203-7E (рисунок 3.4). В качестве программного обеспечения к установке используется
оболочка L@Bsoft, которая позволяет устанавливать необходимое напряжение, а также использовать виртуальные приборы (амперметры и вольтметры) и осциллограф. В данной
работе также может быть использован мультиметр MetraHit
Plus.
Технические данные платы:
- подаваемое постоянное напряжение на плату: +15 В;
- подаваемое переменное напряжение на плату:
0–10 В (частота – 1 кГц).
48
Рисунок 3.4 – Экспериментальная плата
«Основные схемы включения транзистора»
SO4203-7E
49
Порядок выполнения работы
Опыт 1. Исследование схемы с общим
эмиттером без обратной связи
В этом опыте исследуется влияние положения рабочей точки на работу транзистора, а также определяется
u
нусоидального напряжения, выше которого сигнал на выходе
начинает искажаться, т.е. утрачивает синусоидальную форму.
плате SO4203-7E от UniTrain. Сигнал поступает от аналогового выхода комплекса через гнезда 2 мм на плате (рисунок 3.5).
– максимальное значение усиливаемого входного си-
вх max
Электропитание +15 В подается к экспериментальной
50
Рисунок 3.5 – Принципиальная схема
экспериментальной платы SO4203-7E
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]