Лабораторна робота № 4

ДОСЛІДЖЕННЯ ДВОТАКТНОГО ПІДСИЛЮВАЛЬНОГО КАСКАДУ

Мета роботи. Дослідження режимів роботи двотактних підсилювальних каскадів, вимірювання основних параметрів.

Короткі теоретичні відомості

Підсилювальні каскади на одному транзисторі, або однотактні каскади, здебільшого створюються як підсилювачі напруги або струму. Для підсилення потужності переважно застосовуються двотактні каскади, застосування яких завдяки використанню економічних режимів роботи транзисторів дозволяють отримувати значно більші к.к.д, ніж в однотактних каскадах. Розрізняють чотири режими (класи) роботи транзисторів: А, В, С і D. Вони визначаються для ідеальних (лінійних) крізних характеристик транзистора при гармонічному вхідному сигналі. В загальному випадку робоча точка А₀ може розташовуватись на ділянці крізної характеристики, що відповідає запертому стану транзистора. В такому випадку колекторний струм транзистора буде текти лише у ті інтервали часу, коли значення вхідного сигналу u_вх = Е_б + U_жcost, де Е_б – напруга зміщення, U_ж – амплітуда напруги джерела вхідного сигналу, перевищуватимуть напругу запирання транзистора (рис.4.1). Половина фазового кута гармонічного вхідного сигналу, що відповідає інтервалу часу протікання колекторного струму, називається кутом відсічки  колекторного струму транзистора.

Якщо  = , то режим роботи транзистора відносять до режиму А. Це типовий режим для однотактних підсилювальних каскадів і він утворюється при виборі робочої точки на середині лінійної ділянки крізної характеристики транзистора. При цьому колекторний струм протікає в транзисторі впродовж усього періоду вхідного сигналу (рис.4.2). В режимі А величина середнього колекторного струму І_к0 не менше за амплітуду І_к, завдяки чому на резисторі колекторного навантаження транзистора розсіюється велика частина споживаної каскадом енергії джерела живлення, що і зумовлює низький к.к.д. каскаду (20 – 30).

Якщо  = /2, то колекторний струм тече впродовж половини періоду вхідного сигналу, а впродовж другої половини транзистор є запертим. Такий режим називають режимом В (рис.4.3). В режимі В величина середнього колекторного струму в  разів менша за його амплітуду, що й зумовлює значно більший к.к.д. каскаду (теоретично до 76). Але форма колекторного струму неприпустимо відрізняється від форми вхідного сигналу (надзвичайно великі спотворення). Тому режим В може використовуватись лише в двотактних підсилювальних каскадах.

Проміжним між режимами А і В є режим АВ, в якому   .

Рис.4.1

Якщо   /2, то колекторний струм протікає менше, ніж півперіоду вхідного сигналу (рис.4.3). Такий режим називають режимом С. Він дозволяє отримувати дещо більші к.к.д., ніж в режимі В, але використовується переважно в електронних генераторах гармонічних коливань.

Рис.4.2

Рис.4.3

Режимом D називають такий режим, коли транзистор може знаходитись лише в одному з двох можливих станів: у повністю відкритому або у повністю запертому. Цей режим використовують для підсилення (або формування) прямокутних імпульсів.

Двотактні каскади можуть працювати з будь-яким кутом відсічки, але в двотактних підсилювальних каскадах переважно використовується режим АВ, близький до режиму В, для уникнення характерних для режиму В спотворень типу сходинки.

Двотактні каскади складаються з двох однотактних каскадів, або плечей, які збуджуються протиполярними вхідними сигналами, якщо транзистори мають однаковий тип провідності (n – p – n, p – n – p). При використані комплементарної пари, тобто двох транзисторів з ідентичними характеристиками, але з протилежною провідністю, обидва транзистори збуджуються одним вхідним сигналом. В обох випадках колекторні струми транзисторів є протиполярними. Виходи обох плеч з’єднуються зі спільним навантаженням таким чином, щоб колекторні струми плечей в навантаженні віднімались.

Схему найчастіше вживаного двотактного каскаду наведено на рис.4.4. Транзистори VT1 і VT2 разом зі своїми елементами зміщення та термостабілізації утворюють два плеча каскаду, за схемою зі спільним колектором, які мають спільне навантаження Rн.

Особливістю наведеної схеми є те, що обидва плеча каскаду живляться від одного джерела колекторного живлення Е_к, з напругою вдвічі більшою від необхідної для живлення одного плеча.

Принцип дії каскаду прослідкуємо для гармонічного вхідного сигналу. Впродовж негативної півхвилі вхідного сигналу транзистор VT1 відпирається, а VT2 – запирається. Колекторний струм і_к1 p – n – p транзистора VT1 протікає по колу: + Е_к – Rн – права обкладинка конденсатора С₂ – ліва обкладинка – транзистор VT1– – Е_к. При цьому конденсатор С₂ заряджається майже до напруги Е_к / 2 і його права обкладинка має позитивний потенціал. Після зміни полярності вхідного сигналу впродовж його позитивної півхвилі відпирається n – p – n транзистор VT2, а VT1– запирається. Колекторний струм і_к2 транзистора VT2 при позитивній півхвилі вхідного сигналу є розрядним струмом конденсатора С₂, який розряджається по колу: права обкладинка С₂ – Rн – транзистор – VT2 – ліва обкладинка С₂. Як видно, струми і_к1 та і_к2 у навантажені Rн віднімаються. Таким чином підсилення сигналу в двотактному каскаді відбувається у два такти. У першому такті підсилюється одна півхвиля вхідного сигналу плечем з транзистором VT1, а у другому такті відбувається підсилення другої півхвилі сигналу плечем з транзистором VT2. В розглянутому каскаді конденсатор С₂ повинен мати значну ємність, щоб постійна складова напруги на ньому в процесі роботи каскаду залишалася майже незмінною і дорівнювала б Е_к / 2.

Схема лабораторного модуля

Електричну принципову схему досліджуваного лабораторного модуля 7 наведено на рис.4.5. У модулі реалізовано три режими роботи двотактного каскаду, які вибираються перемикачем SА1. За допомогою перемикачів SА2, SА3 змінюється ємність та активна складова навантаження підсилювача. Контрольними точками схеми є гнізда XS1...XS4. Модуль вмикається тумблером 7 на панелі “Исследуемые схемы”.

Рис.4.4

Рис.4.5