Электротехника и электроника Ч3 (электроника)

42

по постоянному току, обеспечивая стабилизацию рабочей точки каскада. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению КU.

Напряжение входного сигнала uВХ поступает через разделительный конденсатор С1 на базу транзистора VT и вызывает три тока. Два из них, проходящие через резисторы R1 и R2 делителя, бесполезны, а третий, IБ~, проходит в цепи базы транзистора и управляет токами транзистора. Входным сопротивлением RВХ каскада для источника eС, обладающего внутренним сопротивлением RВН, являются параллельно включенные резисторы базового делителя R1||R2 (для переменного тока) и входное сопротивление h11э

Обычно сопротивления резисторов R1 и R2 значительно больше входного сопротивления h11Э транзистора, поэтому формулу (11.2) можно упростить:

(11.3)

Цепь источника входного сигнала, которым может быть каскад предварительного усиления, представляет собой последовательно включенные внутреннее сопротивление RВН генератора и входное сопротивление RВХ каскада.

Согласно формуле (11.3):

так как переменными токами, проходящими через резисторы R1 и R2 от источника можно пренебречь. Отсюда переменная составляющая тока коллектора:

а напряжение на коллекторе, представляющее собой выходное напряжение, определяется как:

43

Коэффициент усиления КU усилителя зависит от частоты и амплитуды усиливаемого сигнала, так как с понижением частоты падения напряжения на конденсаторах С1 и С2 под действием входного и выходного токов каскада увеличиваются и представляют собой потери напряжения сигнала. Конденсатор СЭ все меньше шунтирует резистор RЭ, что увеличивает полное сопротивление эмиттерной цепи транзистора и глубину отрицательной обратной связи по переменному току, а, следовательно, уменьшает коэффициент усиления КU .

Рассмотрим случай, если CЭ = 0. При увеличении UВХ возрастает IК. Так

напряжение противодействует усилению, то есть осуществляется отрицательная обратная связь. Если в первом приближении пренебречь изменением UБЭ, то получим UЭ ≈UВХ . Так как через резистор RК протекает практически такой же ток, что и через резистор RЭ, то изменение напряжения на RК больше, чем UЭ в RК/RЭ раз. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению в этом случае KU ≈ RК / RЭ .

Для оценки влияния частоты сигнала на коэффициент усиления напряжения, используют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя (рисунок 11.3 а). Полосой пропускания усилителя называют интервал частот П = fв – fн, в пределах которого коэффициент усиления снижается не более чем на 3дБ (до уровня 0,707) по отношению к его значению на средних частотах K0.

Важна также амплитудная характеристика (АХ) усилителя,

44

выражающая зависимость выходного сигнала UВЫХ от входного UВХ

(рисунок 11.3 б). Так как участок 0-1 линейный, то коэффициент усиления до напряжения UВХmax сохраняет постоянное значение. Начиная с точки 1 рост выходного сигнала отстает от входного, так как рабочая точка транзистора под действием входного сигнала выходит за пределы рабочего участка Б-В линии нагрузки (рисунок 11.2 а). При этом нелинейные искажения усиливаются.

Зная параметры транзистора в рабочей точке, можно рассчитать

Так как, выбранная рабочая точка А находится посередине рабочего участка Б-В линии нагрузки, то это позволяет подавать на вход каскада, и снимать с его выхода максимальные напряжения.

На рисунке 11.4 показан усилительный каскад на транзисторе с ОК

45

(эмиттерный повторитель). Он назван так потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера, напряжение на котором равно разности напряжений между входом (на базе) и падением напряжения на переходе база-эмиттер: UЭ =UБ −0,6 В. Выходное напряжение по форме повторяет входной, но уровень его напряжения на 0,6…0,7 В ниже. Для приведенной схемы входное напряжение UВХ должно составлять более 0,6 В, иначе выходное напряжение будет равно потенциалу земли. Особенность данной схемы в том, что ее входной импеданс значительно больше, чем выходной.

Рисунок 11.4 – Усилительный каскад на транзисторе по схеме с ОК

Аппаратура, оборудование и материалы

Аналогично лабораторной работы №9.

Указания по технике безопасности

Аналогично лабораторной работы №9.

46

Методика и порядок выполнения работы 1 Исследование усилителя напряжения на биполярном

транзисторе, включенном по схеме с ОЭ

1.1 Для исследования характеристик усилителя по схеме с общим эмиттером собрать цепь (рисунок 11.5). С помощью элементов управления стенда установить следующие режимы работы: переключить первый мультиметр в режим измерения постоянного тока на пределе 20 мкА; второй

– в режим измерения постоянного тока на пределе 2 мА; третий – в режим измерения постоянного напряжения на пределе 20 В; тумблер источника напряжения «0…15 В» перевести в верхнее положение; на генераторе напряжений специальной формы (ГНСФ) переключатель «ФОРМА» установить в положение – синусоида. Выход «СИНХР» генератора напряжений специальной формы соединить с входом «1:1» осциллографа, тумблер «СИНХР.» осциллографа перевести в положение «·□». Переключить осциллограф в режим измерения «закрытый вход». Подать питание на стенд, для чего выключатели «СЕТЬ» используемых блоков перевести в положение «I».

Примечание: исследуемый сигнал подается на вход Y осциллографа, который имеет две схемы включения: открытую () и закрытую (). При «открытом входе» сигнал подается непосредственно на делитель и передается с постоянной составляющей; при «закрытом входе» – через разделительный конденсатор и не пропускает постоянную составляющую. Переключения производится ручкой управления «» на передней панели осциллографа.

Примечание: К выходу источника переменного напряжения подключен делитель напряжения R (RДЕЛ1 + R ), чтобы обеспечить лучшую настройку осциллографа для измерения входного напряжения. Это означает,

что в точке измерения В напряжения равно UВХ/ ≈ 22 UВХ .

1.2 Определить параметры точки покоя усилителя. На блоке «ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ» установить напряжение

47

источника «0…15 В» равным 10 В (проконтролировать третьим мультиметром), используя ручку регулятора «РЕГУЛИРОВКА НАПРЯЖЕНИЯ» При отключенном от схемы источнике переменного напряжения установить рабочую точку транзистора усилителя по постоянному току. Для этого, используя потенциометр RП, необходимо установить напряжение UКЭ = 5 В. Измерить IБ.РТ, UБЭ.РТ, IК.РТ и UКЭ.РТ. Для измерения коллекторного и базового токов вместо перемычек (рисунок 11.5) подключить первый и второй мультиметры в режиме измерения постоянного тока. Напряжения UБЭ.РТ и UКЭ.РТ измерить третьим мультиметром, поочередно подключив его к точкам Б-Э и К-Э соответственно. Результаты измерений токов и напряжений занести в таблицу 11.1.

O

Рисунок 11.5 – Схема усилителя напряжения на биполярном транзисторе с общим эмиттером

1.3 Определить фазовое соотношение между входным и выходным напряжением и коэффициент усиления усилителя. Регулятором «ЧАСТОТА» установить частоту напряжения генератора ГНСФ равной 1 кГц. Вместо первого и второго мультиметров подключить перемычки. Переключить первый мультиметр в режим измерения переменного напряжения на пределе 200 мВ, второй мультиметр в режим измерения переменного напряжения на

48

пределе 2 В. Проконтролировать с помощью третьего мультиметра, что напряжение UКЭ = 5 В (при необходимости произвести подстройку потенциометром RП). Подключить к усилителю источник переменного напряжения. Измерить действующие значения напряжения на входе (UВХ) и выходе (UВЫХ) усилителя. Для этого подключить измерительные щупы первого мультиметра к точкам А-O и установить величину UВХ, указанную в таблице 11.2. К выходу усилителя (точки С-O) подключить измерительные щупы второго мультиметра. Начертить в масштабе осциллограммы напряжений на входе (u/ВХ) и выходе (uВЫХ) усилителя. Сопоставить осциллограммы и определить фазовый сдвиг между напряжениями на входе и выходе усилителя (ϕ). Занести результаты измерений и вычислений в таблицу 11.2.

Вычислить коэффициент усиления по напряжению и занести результат в таблицу 11.2, используя следующее соотношение KU =UВЫХ UВХ .

Таблица 11.1 – Исследование режима работы по постоянному току каскада с ОЭ при подключенном конденсаторе CЭ

Таблица 11.2 – Определение КU, RВХ, ϕ и RВЫХ усилителя каскада с ОЭ при подключенном конденсаторе CЭ

1.4 Определить входное сопротивление усилителя RВХ. Для этого включить последовательно во входную цепь усилителя (точка А) резистор RV,

49

величина которого указана в таблице 11.2, что вызовет снижение выходного напряжения UВЫХ усилителя от UВЫХ1 до UВЫХ2. Тогда входное

1.5 Определить выходное сопротивление RВЫХ, для чего подключить нагрузочный резистор RН к выходу усилителя (точки С-O). Это также вызовет снижение выходного напряжения усилителя от UВЫХ1 до UВЫХ3. Выходное сопротивление вычислить, используя соотношение:

Результаты занести в таблицу 11.2.

1.6 Получить зависимость выходного напряжения от входного и определить KU усилителя, занося результаты измерений в таблицу 11.3. При необходимости переключить второй мультиметр в режим измерения переменного напряжения на пределе 20 В. Построить график АХ. Проконтролировать по осциллографу возникновение нелинейных искажений выходного напряжения, зарисовать осциллограммы искаженных сигналов.

Таблица 11.3 – Исследование амплитудной характеристики каскада с ОЭ при подключенном конденсаторе CЭ

1.7 Исключить из схемы конденсатор СЭ. С помощью элементов управления стенда установить следующие режимы работы: переключить первый мультиметр в режим измерения постоянного тока на пределе 20 мкА; второй – в режим измерения постоянного тока на пределе 2 мА. Повторить описанные выше измерения п.п. 1.2–1.6. Занести результаты измерений в таблицы 11.4, 11.5 и 11.6.

50

Таблица 11.4 – Исследование режима работы по постоянному току каскада с ОЭ без конденсатора CЭ

Таблица 11.5 – Определение КU, RВХ, ϕ и RВЫХ усилителя каскада с ОЭ без конденсатора CЭ

Таблица 11.6 – Исследование амплитудной характеристики каскада с ОЭ без конденсатора CЭ

UВХ, мВ 10 20 40 60 80 90 100 120 150 170 185 200

UВЫХ, В

KU

1.8 Исследовать влияния положения рабочей точки на работу транзисторного каскада с ОЭ. Для этого произвести следующие действия: отключить от схемы источник синусоидального напряжения (ГНСФ); установить ручкой потенциометра напряжение UКЭ = 9 В; подключить к схеме источник синусоидального напряжения; установить напряжение на входе усилителя UВХ = 50 мВ; зарисовать осциллограмму напряжения на выходе. Повторить действия, предварительно установив напряжение

UКЭ = 1 В.

1.9Снять питание со стенда, для чего выключатели «СЕТЬ» используемых блоков перевести в положение «O». Разобрать схему эксперимента.

1.10Построить графики зависимостей UВЫХ = f(UВХ) и KU = f(UВХ) для