7

Лабораторная работа N 7

Расчет и исследование в MCAP схемы эмиттерного повторителя

Цель работы: изучение принципа работы, методов расчета и исследования схем эмиттерного повторителя.

1. Работа схемы эмиттерного повторителя

Схема простейшего эмиттерного повторителя приведена на рис.1.1. Он называется так потому, что выходной сигнал снимается с эмиттера. U_вых повторяет по форме входной сигнал, но уровень его напряжения на 0.6-0.7 В ниже. Действительно, если на вход подать напряжение, большее чем 0.6 В, то транзистор откроется и протекающий эмиттерный ток вызывает падение напряжение на сопротивлении R. Выходное напряжение устанавливается таким, чтобы напряжение база-эмиттер достигло 0.6 В. Выходное напряжение равное напряжению на эмиттере будет равно

U_вых= U_э = U_вх - U_бэ = U_вх - 0.6 В.

Для приведенной схемы входное напряжение должно составлять не менее 0.6 В, иначе транзистор будет закрыт и выходное напряжение будет равно потенциалу “земли”. Если к эмиттерному сопротивлению R вместо “земли” подключить источник отрицательного напряжения, то входной сигнал может быть и отрицательным.

Поскольку изменение потенциала эмиттера повторяет изменение потенциала базы, то эту схему называют эмиттерным повторителем. Коэффициент усиления по напряжению может быть определен по фомуле

A = dU_вых / dU_вх = RS / (1 + RS + R / r_кэ), где U_вых - напряжение на выходе схемы, U_вх - входное напряжение, S - крутизна транзистора, r_ke - сопротивление коллектор-эмиттер транзистора. Коэффициент усиления схемы А близок к 1.

Входное сопротивление ЭП значительно больше, чем выходное. Из этого следует, что источник входного сигнала будет отдавать меньшую мощность, если нагрузку подключить к нему не непосредственно, а через эмиттерный повторитель. Иными словами, ЭП обеспечивает усиление по току.

Входное сопротивление ЭП определяется как отношение малого приращения входного напряжения к изменению входного тока. Для схемы на рис.1.1 входное напряжение - это напряжение на базе транзистора, а входной ток - ток базы. Входное сопротивление ЭП может быть определено по формуле

r_вх = R( +1), где - коэффициент усиления транзистора по току.

Выходное сопротивление ЭП определяется как отношение изменения выходного напряжения к изменению выходного тока и может быть вычисленно по формуле

r_вых= R_ист/(1+ ), где R_ист- внутреннее сопротивление источника входного напряжения. Из формулы видно, что выходное (внутреннее) сопротивление источника входного сигнала уменьшается в (+1) раз при подключении ЭП.

Схема на рис.1.1 пропускает на выход сигнал, который больше, чем 0.6 В (U_бэ открытого транзистора). Для того, чтобы схема могла усиливать разнополярные сигналы необходимо создать смещение, которое обеспечивает протекание коллекторного тока в течение полного периода сигнала. Смещение в усилителе можно задавать с помощью делителя напряжения R₁ , R₂, как показано на рис.1.2. R₁ и R₂ выбраны так, чтобы на выходе формировался максимальный симметричный сигнал. Это можно обеспечить, если напряжение на эмиттере транзистора при отсутствии входного сигнала будет равно примерно половине напряжения питания U_п. При подаче на вход переменного напряжения на эмиттере сигнал будет изменяться относительно напряжения U_п / 2. Процесс выбора рабочих напряжений в схеме при отсутствии входного сигнала называется установкой рабочей точки. Сопротивления R1 и R2 выбираются из условия, что ток протекающий через делитель (ток через сопротивление R2) должен быть намного больше (по крайней мере в 10 раз) тока базы транзистора, чтобы изменение тока базы при изменении входного сигнала оказывало малое влияние на изменение постоянной составляющей тока делителя.

Разделительные емкости С1 и С2 образуют фильтры верхних частот, нижняя граничная частота которых должна быть выбрана так, чтобы полностью пропускались нижние частоты сигнала. Величины емкости могут быть определены по формуле

С  1/ 2fR_экв, где R_экв для вычисления С1 равно параллельному соединению сопротивлений R1, R2 и r_вх. Для определения С2 предполагаем, что сопротивление нагрузки ЭП будет не меньше R_Э. Поэтому R_экв в этом случае выбирают равным R_Э.

2. Пример расчета схемы эмиттерного повторителя

Исходные данные:

- схема на рис.1.2;

- напряжение питания U_п = 15 В;

- ток покоя коллектора I_к=1 мА;

- нижняя частота сигнала f = 20 Гц;

- тип транзистора npn.

Перед расчетом схемы по справочнику необходимо выбрать транзистор, исходя из заданного типа, напряжения питания, коллекторного тока и мощности, рассеиваемой транзистором. При расчете использовать минимальное значение  из диапазона, приведенного в справочнике. В данном примере выберем транзистор КТ 373А с =100.

Расчет по постоянному току

1) Выбор напряжения U_э.

Для получения симметричного сигнала на выходе без срезов необходимо, чтобы выполнялось условие U_э=0.5 U_п.=7.5В.

2) Выбор сопротивления R_э.

Ток покоя коллектора транзистора равен 1 мА и приблизительно равен току покоя эмиттера., поэтому R3=U_э / I_э= 7.5В/1мА = 7.5 Ком.

3) Выбор сопротивлений R1 и R2.

Напряжение на базе транзистора U_б= U_бэ+ U_э = 0.6В + 7.5В = 8.1В.

Определим ток базы транзистора I_б = I_к /  = 1мА / 100 = 0.01мА.

Выберем ток делителя равным I_д= 10I_б=0.1мА.

R2= U_б / I_д=8.1В / 0.1мА = 81 Ком.

R1= (U_п - U_б) / (I_д + I_б) = (15В - 8.1В) / (1мА + 0.01мА) = 68 Ком.

После определения расчетных величин сопротивлений следует выбрать их номинальные значения из 10 % ряда номиналов, выпускаемых промышленностью.

Расчет по переменному току

Расчет по переменному току сводится к определению величин емкостей С1 и С2.

1) Расчет С1.

Определим R_д= R1R2 / (R1+R2)= 40 Ком,

r_вх= R3 = 750 КОм,

R_экв = R_д r_вх / (R_д + r_вх) = 38 КОм.

C1  1/ 2f R_экв = 0.21 мкФ.

2) Расчет С2.

С2  1 / 2f R_э = 1 мкФ.

Так как в схеме получили двухкаскадный фильтр высоких частот, то для предотвращения снижения амплитуды сигналов на самой низкой частоте емкости следует взять немного больше из стандартного ряда номиналов. Например С1= 1 мкФ, С2 = 3.3 мкФ.

3. Задание и порядок расчет схемы ЭП

Исходные данные к расчету ЭП взять из таблицы 1. Номер варианта соответствует номеру студента в журнале преподавателя. Согласно заданного типа транзистора, величин коллекторного тока и напряжения питания выбрать по справочнику транзистор. В отчете по лабораторной работе привести основные параметры транзистора. В расчете использовать минимальное значение .

При расчете схемы эмиттерного повторителя необходимо:

1. Рассчитать значения всех сопротивлений и конденсаторов схемы. Величины сопротивлений и конденсаторов взять ближайшими к стандартным номиналам 5% ряда.

2. Определить основные параметры ЭП: входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления по напряжению.

3. Провести моделирование схемы во временной области в системе МСАР-3. В результате моделирования необходимо определить:

- правильно ли установлена рабочая точка схемы. Для этого определить значения напряжений и токов в схеме при отсутствии входного сигнала (при нулевой амплитуде);

- максимальную амплитуду входного сигнала, при которой еще не появляются заметные нелинейные искажения;

- коэффициент усиления схемы;

- какое влияние оказывает на работу схемы изменение температуры на 30 градусов.

4. Провести моделирование схемы в частотной области в системе МСАР-3.

В результате моделирования получить амплитудно - частотную и фазо-частотную характеристики усилителя. По амплитудно-частотной характеристике определить полосу пропускания усилителя.

Результаты моделирования подтвердить распечатками графиков в системе мсар-3. Выбор тех или иных напряжений и токов при расчете схем необходимо обосновать!

Таблица 1