Электроника 1.1 / Лабы / Лабораторная работа 5

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИШЭ

13.03.02. «Электроэнергетика и электротехника»

Лабораторная работа №5

«Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах»

По дисциплине: Электроника 1.1

Исполнитель:

Студент группы 4Т61 Кошкин Д.Р. 16 апреля 2018 г.

Руководитель:

Преподаватель Паюк Л.А.

Томск – 2018

Цель работы: изучение основных свойств усилительных каскадов на биполярных транзисторах, определение их входных и выходных сопротивлений.

Оборудование: лабораторный стенд, мультиметры, осциллограф, конденсаторы, резисторы, потенциометр, диод КД226, соединительные провода.

Исследуемые схемы:

Рисунок 1 – Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Рисунок 2 – Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Рисунок 3 – Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Результаты исследований:

Таблица 1

	Схема с ОЭ	Схема с ОК	Схема с ОБ
Uвх, В	1,05	1,05	1,04
Uвых, В	0,93	3,2	3,75
URГ, В	0,029	0,04	0,014
URH,В	0,77	0,7	0,83
Uвых1, В	1,6	1,1	0,83
Uвых2, В	1,7	3,1	0,83
Iвх, мА	0,029	0,04	1,4
Iвых, мА	2,3	2,1	2,5
KU	32,1	3,04	3,6
KI	79,3	52,5	1,8
KP	2545,53	159,6	6,48
Rвых, кОм	138,2 Ом	1,5	1,20
Rвх, кОм	2,2	26,25	742,8 Ом

Расчеты

Схема с ОЭ:

мА;

мА;

;

;

;

Ом;

кОм.

Схема с ОК:

мА;

мА;

;

;

;

кОм;

кОм.

Схема с ОБ:

мА;

мА;

;

;

;

Ом;

кОм.

Осциллограммы

Рисунок 4 – Осциллограмма входного и выходного сигнала для схемы с общим эмиттером

Рисунок 5 – Схема входного и выходного сигнала схемы с общим коллектором

Рисунок 6 – Осциллограмма входного и выходного сигнала для схемы с общей базой

Вывод: Нами были рассмотрены три схемы включения биполярного транзистора: с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой.

1. Схема с общим эмиттером

Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, усиливает ток базы в десятки – сотни раз. Усиление по напряжению в данной схеме остается таким же, как в схеме с ОБ. Поэтому усиление по мощности в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ. Также мы получили большее, чем у схемы с общей базой входное сопротивление. Как видно из осциллограммы мы наблюдаем эмиттерное повторение, которое характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице.

2. Схема с общим коллектором

В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Как мы выяснили особенностью этой схемы является то, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, то есть очень сильна отрицательная обратная связь. Схема с общим коллектором дает усиление по току и мощности, но не дает усиление по напряжению. Имеет высокое входное сопротивление и наименьшее выходное.

3. Схема с общей базой

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Схема с ОБ имеет меньшее усиление по мощности и меньшее входное сопротивление, а также лучшие температурные свойства.

Ответы на контрольные вопросы:

1.Для чего служат делители напряжения в цепи базы усилительных каскадов?

Делители напряжения в цепи базы усилительных каскадов используют для того, чтобы получить заданное выходное напряжение из большего входного (постоянного или переменного) напряжения.

2. Почему происходит искажение выходного сигнала?

В реальном усилителе форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала. Отклонение формы выходного напряжения усилителя от формы входного усиливаемого сигнала называется искажением сигнала. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного.

3. Как влияет температура на биполярный транзистор? Существенным недостатком транзисторов является зависимость их характеристик от изменения температуры, или температурная нестабильность. При повышении температуры увеличивается электропроводность полупроводников, и токи в них возрастают. В наибольшей степени возрастает обратный ток p-n-перехода (начальный ток коллектора). Это приводит к изменению характеристик p-n-перехода. Одновременно температурные изменения оказывают влияние на величину коэффициентов передачи. Изменение обратных токов и коэффициентов усиления приводит к смещению входных и выходных характеристик транзисторов, что может привести к нарушению его нормальной работы или схемы на его основе.

4. В чем особенность эмиттерного повторителя?

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало. Особенностью повторителя является то, что при управлении малыми переменными сигналами к нему благодаря низкому сопротивлению можно подключать низкоомную нагрузку.

5. Почему схема с ОБ имеет наибольший коэффициент по напряжению?

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Частотная характеристика транзистора это - способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, эта величина зависит от типа транзистора.

6. Основные особенности схемы с ОК.

Схема каскада с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией обладает лучшими характеристиками по стабильности параметров. В ней глубина обратной связи по постоянному току приближается к 100%.

7. В каком из усилителей происходит инвертирование сигнала и в чём

оно выражается?

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада (порядка сотен ом), высокое (порядка десятков кОм) выходное сопротивление. Отличительная особенность - изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (то есть - инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК.

8. Какой из усилителей имеет наибольший коэффициент усиления по мощности?

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором.

9. Что такое режим покоя усилителя?

Режим работы усилителя, когда включены источники питания и подано смещение, но Uвх=0, называется режимом покоя.

10. Почему на низких частотах наблюдается уменьшение коэффициента усиления?

В операционном усилителе (а в общем, в любом многокаскадном усилителе), начиная с некоторой частоты наблюдается спад коэффициента усиления, обусловленный тем, что усилительный каскад для сигналов, поступающих от источника, имеющего конечный импеданс (комплексное сопротивление двухполюсника для гармонического сигнала), является емкостной нагрузкой, и, таким образом каскад эквивалентен фильтру низких частот.

11. В каких областях можно применять каждый из усилителей?

Схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi. В настоящее время она обычно применяется в виде готовых интегральных микросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы, практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы.

Схема включения транзистора с ОБ используется обычно в высокочастотных усилителях. Для приведения входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному волновому сопротивлению линий передачи 50 Ом обычно используются фильтры нижних или верхних частот. При индуктивном сопротивлении базы и коллектора транзистора в рабочем диапазоне частот усилителя, эти реактивности могут быть включены в состав индуктивности фильтра.