31

Дослідження транзисторних підсилювачів низької частоти Короткі теоретичні відомості

Підсилювачем називається електронний пристрій, призначений для збільшення потужності електричних сигналів без зміни їх частоти і форми. Цей ефект досягається з допомогою підсилювальних елементів – транзисторів, які виконують керуючі функції. Енергетичним резервуаром служить джерело живлення.

Найбільш поширеною є схема із спільним емітером (рис. 1), яка забезпечує підсилення напруги, струму й потужності і внаслідок малої різниці між величинами вхідного і вихідного опорів дозволяє легко узгоджувати між собою окремі каскади в багатокаскадному підсилювачі.

Рис. 1. Підсилювач із спільним емітером.

Дільник на опорах R₁ i R₂ забезпечує подачу на базу транзистора потрібної напруги зміщення. Опір R_к паралельно з опором R_н утворюють опір навантаження колекторного кола для змінного струму. На цьому опорі відбувається падіння напруги підсиленого вхідного сигналу. Від’ємна півхвиля вхідного сигналу викликає зростання струмів бази і колектора, що приводить до збільшення падіння напруги на опорі навантаження колекторного кола і зменшення абсолютної величини потенціалу колектора. Отже, в схемі із спільним емітром відбувається поворот фази вхідного сигналу на 180^.

Опір R_е служить для температурної стабілізації робочої точки.

Роздільні конденсатори С_р1 і С_р2 запобігають протіканню постійних складових базового і колекторного струмів. Величини цих конденсаторів вибираються такими, щоб в робочій області частот дані опори були незначними. Конденсатор С_е усуває від’ємний зворотний зв’язок по змінній напрузі , який приводить до зменшення коефіцієнта підсилення.

У тому випадку, коли потрібне підсилення сигналів в широкому діапазоні частот, використовується схема із спільною базою (рис. 2). Вона характеризується високою температурною стабільністю, і малими нелінійними спотвореннями.

Рис. 2. Підсилювач із спільною базою.

Конденсатор С_б служить для заземлення бази. Призначення інших елементів аналогічне схемі із спільним емітером.

Приріст додатного потенціалу емітера викликає зростання емітерного й колекторного струмів, що приводить до збільшення приросту додатного потенціалу колектора. Тому напруги вхідного й вихідного сигналів в схемі із спільною базою мають однакову фазу.

Схема із спільним колектором (рис. 3), яку частіше називають емітерним повторювачем, використовується для узгодження каскадів з високим вихідним і низьким вхідним опорами. Додатний приріст потенціалу бази викликає зменшення базового й емітерного струмів, що приводить до зростання додатного потенціалу емітера. Отже, в схемі із спільним колектором вхідний і вихідний сигнали синфазні.

Рис. 3. Підсилювач із спільним колектором.

Для розрахунку коефіцієнтів підсилення по струму, напрузі й потужності служать формули:

В .

У схемі із спільним емітером К_і>>1 і К_u>>1; у схемі із спільною базою K_i<1 і K_u>>1; у схемі із спільним колектором K_i>>1 і K_u<1. При фіксованому R_н вхідний опір найбільший у схемі із спільним колектором, найменший – у схемі із спільною базою. При фіксованому опорі джерела сигналів вихідний опір найбільший у схемі із спільною базою, найменший – у схемі із спільним колектором і середній – у схемі із спільним емітером.

Коефіцієнт підсилення по потужності максимальний у схемі із спільним емітером і мінімальний – у схемі із спільним колектором.

Якість роботи транзисторних підсилювачів визначається їх амплітудною, амплітудно-частотною та фазово-частотною характеристиками.

Амплітудна характеристика виражає залежність амплітуди вихідної напруги підсилювача від амплітуди його вхідної напруги при фіксованій частоті. За її виглядом можна судити про величину нелінійних спотворень, які викликані нелінійністю транзисторних характеристик і проявляються в змінах форми підсилених сигналів. Цим спотворенням на амплітудній характеристиці відповідає нелінійна ділянка типу "насичення".

Амплітудно-частотна характеристика показує залежність модуля коефіцієнта передачі від частоти при фіксованій напрузі підсилювального сигналу. За її виглядом можна судити про величину частотних спотворень, які обумовлені наявністю реактивних елементів і проявляються в неоднаковості підсилення на різних частотах. Важливим параметром, який можна визначити за амплітудно-частотною характеристикою, є смуга пропускання. Вона визначається як різниця між верхньою і нижньою граничними частотами, на яких підсилення падає в рази порівняно з областю середніх частот.

Фазочастотна характеристика виражає залежність фазового зсуву між вихідним та вхідним сигналами від частоти. Фазові спотворення викликані тими ж причинами, що й частотні, і зникають при умові лінійної залежності зсуву фаз від частоти. Як частотні, так і фазові спотворення є спотвореннями лінійними.

Часто вживаються логарифмічні амплітудно-частотні та фазочастотні характеристики, в яких по осі частот відкладається логарифм частоти, але позначається частота, а не її логарифм.

Завдання

1. Зняти амплітудну характеристику підсилювача і визначити за нею допустиму амплітуду вхідних сигналів.

2. Зняти амплітудно-частотну характеристику підсилювача і визначити за нею смугу пропускання.

3. Визначити вхідний та вихідний опори каскаду.

4. Зняти фазову характеристику підсилювача.

5. Результати експериментів зобразити графічно.

6. Оформити звіт про виконання лабораторної роботи.

Пояснення до роботи

При знятті амплітудної характеристики підсилювача частота звукового генератора повинна бути фіксованою і відповідати ділянці середніх для даної схеми частот. Амплітуду вхідного сигналу слід збільшувати до тих пір, поки не стане явно вираженою ділянка амплітудної характеристики з не лінійністю типу "насичення".

Для визначення вхідного опору необхідно підключити послідовно з входом підсилювача магазин опорів і збільшувати його опір до тих пір, поки вихідна напруга не зменшиться вдвоє. В цьому випадку вхідний опір буде рівним опору магазину.

При визначенні вхідного опору опір джерела сигналів (звукового генератора) повинен бути мінімальним.

Для визначення вихідного опору підсилювача необхідно виміряти напруги U₁ та U₂ при двох різних опорах навантаження R₁ та R₂. Ці опори слід вибрати такими, щоб виміряні напруги відрізнялись не більш ніж на 10-20%. Вихідний опір обчислюється в першому наближенні за формулою:

(4)

При знятті амплітудно-частотної та фазо-частотної характеристик підсилювача вхідний сигнал слід зафіксувати на рівні, що відповідає середині лінійної ділянки амплітудної характеристики. Частоту слід змінювати так, щоб одержати чіткі передній і задній спади амплітудно-частотної характеристики до рівня 50% від ділянки середніх частот.

Фазо-частотну характеристику слід знімати з допомогою осцилографа методом фігур Ліссажу. При оформленні звіту амплітудно-частотну характеристику подати в повному логарифмічному, фазо-частотну характеристику – в напівлогарифмічному масштабах.

Контрольні запитання

1. Порівняти різні схеми транзисторних підсилювачів.

2. Дати визначення амплітудної, амплітудно-частотної та фазо-частотної характеристик підсилювача.

3. Як визначити вхідний та вихідний опори підсилювача ?

4. Які параметри підсилювача можна визначити за його амплітудною характеристикою ?

5. Як визначити смугу пропускання підсилювача ?