Лабораторная работа №4 Исследование резистивного усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе

Цель работы: Ознакомление с методом получения воль-амперных характеристик, изучение характеристик и параметров усилительного каскада низкой частоты на биполярном транзисторе включенного по схеме с общим эмиттером:

Продолжительность работы – 2 часа.

Теоретическая часть

Прежде чем приступить к лабораторным исследованиям проработайте лекционный материал, а затем прочитайте в учебнике [1] (В.И.Лачин, Н.С.Савёлов Электроника раздел 2.1. Классификации, основные параметры и характеристики усилителя) или в учебнике [2] (О.В. Миловзоров, И.Г. Панков Электроника §2.1. Усилители). Непонятные места, а также вопросы, вызывающие сомнения, запишите в лабораторную тетрадь, обсудите с товарищами и преподавателем.

Усилителем электрических сигналов называется устройство, у которого мощность электрических сигналов на выходе больше чем на входе.

На структурных схемах усилитель изображают в виде прямоугольника, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Условное графическое обозначение усилителя на структурных схемах

Основными параметрами, определяющими работу усилителя, являются три коэффициента:

• коэффициент усиления по напряжению – Кu,

• коэффициент усиления по току – КI

• коэффициент усиления по мощности – КP:

, ,,

а также входное R_ВХ­ и выходное R_ВЫХ сопротивления.

При использовании биполярных транзисторов различают:

• усилитель с общим эмиттером (ОЭ),

• усилитель с общей базой (ОБ),

• усилитель с общим коллектором (ОК).

На рисунке 2 представлена структурная схема усилителя в виде схемы замещения, на которой внутренний источник напряжения Е_вых = К·U_вх получает энергию от источника питания. R_вх - входное сопротивление усилителя, а R_вых - выходное сопротивление усилителя.

Рисунок 2 - Эквивалентная схема каскада с общим эмиттером

К входу усилителя (зажимы 1¹-1) подключен источник сигнала с действующим значением ЭДС Er и внутренним сопротивлением Rr. Он создает на выходе усилителя напряжение Uвых. К выходу усилителя (зажимы 2¹-2) подключена нагрузка с сопротивлением Rн.

Обычно усилитель представляет собой многокаскадное устройство, состоящее из ряда последовательно соединенных простейших каскадов. Схема с общим эмиттером, представляющая каскад с RC связями приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема каскада с общим эмиттером

Эмиттер транзистора соединен с общей точкой усилителя. Источник питания E_Кчерез делительR1-R2 подает на базу биполярного транзистора VT n-p-n типа напряжение смещения 0,5…0,8В. Входным является ток базы I_б, который управляет током коллектора по формуле I_к=h_Э21·I_б. Параметрh_Э21называется коэффициентом передачи по току в схеме с общим эмиттером. При этом на коллекторе транзистора создается усиленное переменное напряжение U_кэ = E_К- I_к·R_к, которое, далее, через разделительный конденсатор C_р2 передается на нагрузочное сопротивление R_н. РезисторRк ограничивает ток коллектора.

Резисторы R1, R2 обеспечивают необходимый режим транзистора по постоянному току (начальное положение рабочей точки). Правильный выбор этой точки влияет на коэффициент нелинейных искажений и на коэффициент полезного действия. Это поясняют графики входной характеристики биполярного транзистора и семейства выходных характеристик, показанные на рисунке 4.

Входная характеристика транзистора (на рисунке 4 слева) показывает зависимость тока базы I_Бот входного напряженияU_БЭмежду базой и эмиттером. Базовыйp-nпереход у кремниевого транзистора начинает открываться при напряжении примерно 0,6 вольта, поэтому при меньшем напряжении транзистор закрыт и находится в состоянии отсечки. При напряжении большем 0,6 вольта входная характеристика нелинейная. Это означает, что равномерное увеличение напряжения между базой и эмиттеромU_БЭприводит к неравномерному увеличению тока базы, поскольку ток коллектора пропорционален току базы, то и ток коллектора увеличивается неравномерно. Это явление и объясняет появление нелинейных искажений усилителя на биполярном транзисторе.

Рисунок 4 - Вольт-амперные характеристики усилительного каскада

Нелинейные искажения приводят к появлению в усиленном сигнале гармоник высшего порядка, которые оцениваются коэффициентом нелинейных искажений. Наибольшая нелинейность входной характеристики имеет место в районе 0,6 вольта, поэтому работа транзистора в этой области крайне нежелательна. Работа при напряжениях U_БЭ> 0,8 уменьшает нелинейные искажения, но приводит к увеличению тока коллектора, что ведет к увеличению нагрева транзистора и ухудшает коэффициент полезного действия.

Начальное положение рабочей точки на выходной характеристике обозначено буквой р, на входной характеристике буквой -р’. Для этого подбирают такое значение резистораR2, чтобы напряжение на коллекторе при отсутствии входного сигнала удовлетворяло формуле

Конденсаторы Cp1 и Cp2 называются разделительными. Они обеспечивают изоляцию (разделение) источника сигнала и нагрузки от каскада по постоянному току и соединение (связь) их по переменной составляющей между собой. Для устранения отрицательной обратной связи по переменной составляющей, которая возникает из-за эмиттерного резистора Rэ его шунтируют конденсатором Cэ, сопротивление Xcэ которого на низшей частоте усиливаемого сигнала должно быть на порядок меньше Rэ (Rэ>>Xcэ). Это ослабляет отрицательную обратную связь в каскаде по переменному току и устраняет влияние Rэ на коэффициент усиления по переменной составляющей.

Кроме нелинейных искажений появляются линейные искажения. Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты f. Из-за этого отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается.

Линейные искажения усилителей оцениваются с помощью амплитудно-частотной (АЧХ), фазочастотной (ФЧХ) и переходной характеристик. Под АЧХ усилителя понимается зависимость К_U = f(f). Пример АЧХ представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика (АХ) усилителя представлена на рисунке 6 и снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания. Для усилителей низкой частоты обычно f = 1000Гц

Начальный нелинейный участок обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на входе усилителя при отсутствии входного сигнала.

При больших напряжениях Uвх сказывается нелинейность ВАХ активных элементов, из-за чего падает средняя крутизна и уменьшается усиление.

Количественно мера нелинейности γ оценивается как отношение отклонения АХ от линейной характеристики

АХ считается линейной на участках, где усиление происходит с допустимым уровнем нелинейных искажений (в пределах 1 децибелла). В этом случае коэффициент усиления К не зависит от амплитуды и может быть определен, как тангенс угла наклона АХ к оси абсцисс.

Рисунок 6 - Амплитудная характеристика усилителя

Динамический диапазон усилителя оценивается как отношение максимального и минимального напряжения выходных сигналов, выраженное в децибелах. Минимальный сигнал определяется уровнем собственных шумов усилителя, а максимальный — нелинейными искажениями. В этом случае динамический диапазон определяют по формуле

,

где U_мах– максимальное напряжение на выходе усилителя в линейной области амплитудной характеристики,

U_шум– напряжение сигнала на выходе усилителя при отсутствии полезного сигнала на входе.

Рабочее задание

1. Включить компьютер и настроить прибор АКИП  4107. Включить установку «ЛОЭ-АиПУ» и установить начальное положение рабочей точки усилителя.

2. Снять амплитудную характеристику усилителя: Uвых = F(Uвх) при f = 1000 Гц для двух различных нагрузок (резисторов) и режима холостого хода.

3. Построить графики амплитудных характеристик усилителя для двух различных нагрузок и режима холостого хода, и определить динамический диапазон усилителя для каждого случая.

4. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя: Uвых = F(f ) для одной нагрузки (по указанию преподавателя).

5. Построить график амплитудно-частотной характеристики и определить полосу пропускания.

Методические указания

1. Включить компьютер и настроить прибор АКИП  4107. Включить установку «ЛОЭ-АиПУ» и установить начальное положение рабочей точки усилителя .

Подготовить к работе универсальный цифровой прибор АКИП 4107, подключив три измерительных кабеля: один к входу канала А (СНА), другой к входу канала В (СНВ) и третий к выходу генератора (Signal OUT). Убедиться, что прибор АКИП4107 подключен к компьютеру. Запустить на компьютере программу PicoScope6.

Измерительный кабель канала А подключить к стенду следующим образом: черный штекер к гнезду XS5, а красный штекер к гнезду XS9.Установить на пиктограмме значение ±10.

Установить напряжение питания усилителя, поставив тумблеры SA2 в верхнее положение; SA6 в нижнее положение; CA9, CA10 в верхнее положение ; SA7, SA8 в нижнее положение; и один из тумблеров сигнальной лампы в верхнее положение, например SA3, а остальные SA4, SA5 в нижнее положение. После этого включить питание от сети поставив тумблер SA1 в верхнее положение. Убедиться что лампа горит в полнакала, что соответствует напряжению питания 6В (либо 5В на одном из учебных стендов).

Определить напряжение питания по экрану осцилографа АКИП 4107 (прямая линия на уровне 5 или 6B, может иметь небольшие помехи не превышающие 0,1B).

Для установки рабочей точки усилителя в правильное начальное положение необходимо вынуть красный штекер провода канала А из гнезда XS9 и переставить в гнездо XS4.Вращая ручку переменного резистора R4 установить напряжение на коллекторе транзистора равным половине напряжения питания.

2. Снять амплитудную характеристику усилителя: Uвых = F(Uвх) при f = 1000 Гц для двух различных нагрузок (резисторов) и режима холостого хода.

Включить генератор сигналов, щелкнув по пиктограмме . Впоявившемся окне установить :

Сигнал Вкл сигнал: Синусоидальный

Начальная частота : 1кГц

Амплитуда: 250 мB (щёлкая мышкой по стрелке вниз)

Смещение: 0B

Подключить чёрный штекер кабеля от генератора «SIGNAL OUT» к гнезду XS2, а красный к гнезду XS1.

Для измерения сигнала на выходе усилителя U_ВЫХ подключить черный штекер кабеля канала В к гнезду XS12 а красный к гнезду XS11.

Для измерения сигнала на входе усилителя U_ВХ переключить красный штекер канала А из гнезда XS4 в гнездо XS3. Включить автоматический режим выбора диапазона измерений щелкнув по галочке «Диапазон входного сигнала» и в выпадающем меню выбрать режим «Авто.»

Установить коэффициент развертки 200µs/div, щелкнув по галочке на пиктограмме . Для синхронизации изображения щелкнуть по галочке на пиктограмме и выбрать режим «Авто».

К выходу усилителя подключить нагрузку резистор R6, для этого повернуть преключатель SA11 по часовой стрелке до упора ( при этом подключается резистор R6).

Для измерения среднеквадратических величин сигнала на входе U_вх необходимо щелкнуть один раз по кнопке «+» на пиктограмме в нижней части экрана. В появившемся окне необходимо щелкнуть мышкой по галочке в окне «Выберите тип измерения».

В появившемся окне типов измерения выбрать тип измерения «Перем. СКЗ».

Для измерения среднеквадратических величин сигнала на выходе U_ВЫХ необходимо сначала включить в работу канал В щелкнув по галочке и выбрать в выпадающем меню режим Авто. Затем щелкнуть один раз по кнопке «+» на пиктограммев нижней части экрана. В появившемся окне необходимо выбрать «Перем. СКЗ» для канала В.

Для заполнения таблицы 1 необходимо вращать ручку переменного резистора R1. Для значения U_ВХ = 0 небходимо повернуть ручку резистора R1 до упора против часовой стрелки.

Для определения собственных шумов на выходе усилителя прочитать среднеквадратическое значение переменной составляющей сигнала канала В в столбце «Среднее».Результат измерения записать в первый столбец таблицы 1.

Для установки значения U_ВХ = 2 мВ плавно поворачивать ручку резистора R1 по часовой стрелки до тех пор пока в графе «среднее» канала А не появится значение 2 (сотые доли милливольта не учитывать). Результат из графы «среднее» канала В записать в таблицу.

Аналогично заполняется таблица для других значений U_ВХ.

Если R1 окажется в крайнем правом положении и входное напряжение больше не поднимается, то необходимо щёлкнуть по пиктограмме и в графе «Амплитуда» установить значение 2 В.

Таблица 1 - Нагрузка R6

UВХ, мВ f=1000	0	2	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	120	150	200	300
UВЫХ, мВ
KU

Аналогично заполняется таблица 2 для другой величины нагрузки (по указанию преподавателя).

Таблица 2 - Нагрузка R__

UВХ, мВ f=1000	0	2	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	120	150	200	300
UВЫХ, мВ
KU

Аналогично заполняется таблица 3 для режима холостого хода (без нагрузки).

Таблица 3 - Без нагрузки

UВХ, мВ f=1000	0	2	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	120	150	200	300
UВЫХ, мВ
KU

Заполнить нижнюю строчку таблиц 1,2 и 3, рассчитав коэффициент усиления K_U.

3. Построить графики амплитудных характеристик усилителя для четырех различных нагрузок и режима холостого хода, и определить динамический диапазон усилителя для каждого случая.

Построить график амплитудной характеристики усилителя (по горизонтальной оси – U_ВХ, по вертикальной – U_ВЫХ) на миллиметровой бумаге или с использованием программы MathCad или Exсel.

Определите по графику напряжение собственных шумов U_Ш (при U_ВХ = 0), максимальное напряжение на выходе, соответствующее линейной области, динамический диапазон усилителя в дБ для каждой нагрузки и режима холостого хода.

Определить значение входного напряжения, соответствующее середине линейной области амплитудной характеристики для каждой нагрузки и выделить его цветным карандашом в таблицах 1, 2 и 3. Это значение использовать в следующем опыте при снятии амплитудно-частотной характеристики.

4. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя: Uвых = F(f ) для одной нагрузки (по указанию преподавателя).

Щёлкнуть по пиктограмме и в графе «Амплитуда» установить значение 250 мВ.

Вращая ручку R1 установить амплитуду сигнала на входе усилителя , соответствующей середине линейной области амплитудной характеристики для данной нагрузки, выделенное цветным карандашом в предыдущем опыте.

В режиме генератора задавать различные частоты, указанные в таблице 2, щёлкнув по пиктограмме . При изменении частоты изменяется входное сопротивление усилителя, поэтому вращая ручку R1 корректировать значение «перем. СКЗ» канала А для каждого значения частоты. Занести значения выходного напряжения в таблицу 2.

При изменении частоты также необходимо изменять время развертки так, чтобы на экране было видно несколько периодов сигнала (от 3-х до 15-ти).

Таблица 2

f, Гц	20	50	100	300	1000	5000	10000	20000	100000
UВЫХ, mВ
KU

5. Построить график амплитудно-частотной характеристики и определить полосу пропускания.

Построить график амплитудно-частотной характеристики усилителя (по горизонтальной оси отложить частоту – f Гц (в логарифмическом масштабе), по вертикальной коэффициент усиления - K_U) на миллиметровой бумаге или с использованием программы MathCad или Exel.

Определите по графику нижнюю границу полосы пропускания f_Н . Для этого максимальное значение коэффициента усиления K_U, умножить на 0,707 и провести горизонтальную линию. Точки пересечения графика с проведенной горизонтальной линией определяют границы полосы пропускания. Поскольку генератор, встроенный в АКИП 4107, не работает на частотах более 100 кГц, мы не можем определить верхнюю границу полосы пропускания.