2.Частотные свойства транзисторных усилительных каскадов.

У силительные свойства каскада зависят от частоты. Эту зависимость обычно рассматривают в трех областях; в области низких частот (НЧ), в области средних частот (СЧ) и в области высоких частот (ВЧ). Типичная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилительного устройства показана на рис.2.1. О бласть средних частот является основной рабочей областью. В ней пренебрегают частотной зависимостью коэффициента усиления, считают его равным К₀. Протяженность и положение областей НЧ, СЧ, ВЧ характеризуют с помощью граничных частот f_Н и f_В , которые часто определяют по уровню 0,707 от номинального значения К₀ и обозначают f_Н0,7 ; f_В0,7 соответственно.

Частотные свойства усилительного устройства также можно описать его нормированной амплитудно-частотной характеристикой (НАЧХ) М(f)=K(f)/K₀, представляющей относительные изменения коэффициента усиления К(f) от частоты.

Область низких частот. В области НЧ уменьшение коэффициента усиления определяется тем, что в усилительном каскаде разделительные и шунтирующие (блокирующие) конденсаторы обладают заметным сопротивлением, в результате чего передаточные свойства каскада имеют заниженное по сравнению с К₀ значение. В исследуемом каскаде (см. рис.схема стенда) в качестве разделительного конденсатора для схем ОЭ и ОК используется С2 (S1- 4, 2, 3) или последовательное соединение С1 и С2 (S1-1). Цепь с конденсатором С_Р , разделяющим на постоянном токе участки цепи с сопротивлениями R1 или R2, можно представить в виде эквивалентной схемы, содержащей генератор сигнального напряжения с выходным сопротивлением R_г (R1 или R2) и последовательно включенные конденсатор С_Р, и резистор R_вх сопротивление которого равно входному сопротивлению усилительного каскада (рис.2.2а).

К оэффициент передачи такой разделительной цепи

его НАЧХ определяется соотношением

где , _р=Ср(R_г +R_вх) –постоянная времени разделительной цепи.

Дополнительным источником ухудшения усилительных свойств в области НЧ при схеме с ОЭ являются конденсатор С_ш каскада (в схеме стенда С₄), включенный в эмиттерную цепь транзистора (см.рис.2.2,б). Резистор R_э служит для создания отрицательной обратной связи на постоянном токе, благодаря которой в каскаде обеспечивается хорошая стабильность и определенность положения исходной рабочей точки. Конденсатор С_ш шунтирует на СЧ резистор R_э, вследствие чего в этой частотной области отрицательная обратная связь не действует и каскад обладает требуемым высоким усилением К₀ . На низких же частотах шунтирующее действие конденсатора С_ш становится недостаточно эффективным, в результате этого в каскаде возникает отрицательная обратная связь, снижающая коэффициент усиления. Относительное уменьшение М_э усиления К₀ из-за действия указанной обратной связи определяется формулой:

где –постоянная времени нагрузки в цепи эмиттера.

Общее снижение усиления М_Н на НЧ из-за разделительной и эмиттерной цепей

М_Н=M_р M_э.

Коррекция хода частотной характеристики в области НЧ может быть достигнута за счет использования в нагрузке каскада цепи, имеющей повышенное по сравнению СЧ сопротивление, например, дополнительного резистора R15, зашунтированного конденсатором С9 (см.рис.стенд).

Область высоких частот. В ВЧ - области снижение усиления обусловлено, с одной стороны, ухудшением усилительных свойств самого транзистора (уменьшением модуля коэффициента передачи тока h₂₁), а с другой – заметным шунтирующим влиянием паразитной емкости С_ (рис.2.3, а) на выходе каскада.

Относительное уменьшение усиления из-за частотной зависимости h₂₁ для схем ОЭ и ОБ определяется соотношением

(2.4)

где: _τ=1/τ,  - постоянная времени транзистора.

Шунтирующее действие С_ уменьшает усиление на ВЧ в соответствии со следующей формулой:

(2.5)

где _с=С_R^_н (R_н^– полное активное сопротивление на выходе каскада, включающая выходное сопротивление транзистора 1/h₂₂ c включёнными параллельно сопротивлениями цепи смещения и нагрузки) На схеме с ОЭ (рис 2.3) R_н^=1/(1/h_22э+1/R_к+1/R_н).

Общее относительное усиление на ВЧ

(2.6)

Коррекцию частотных искажений в области ВЧ, обусловленных уменьшением модуля коэффициента передачи тока h₂₁ можно осуществить в схемах ОЭ с помощью дополнительного резистора R_э, включенного в эмиттерную цепь транзистора. Резистор R_э создает отрицательную обратную связь, в результате чего постоянная времени эквивалентного включающего R_э транзистора уменьшается в F_оэ раз, где F_оэ=1+(h_21э/h_11э)R_э, _f=/F_оэ. Следует отметить, что введение в схему каскада резистора R_э сопровождается уменьшением коэффициента усиления К₀ в F_оэ раз, К_0f= К₀/F_оэ.

Искажения из-за паразитной емкости С_ могут быть уменьшены за счет введения в нагрузку каскадов (см.рис.2.3, а) дополнительной индуктивности L, а также с помощью частотнозависимой отрицательной обратной связи, создаваемой дополнительной цепочкой R_корС_кор (см.рис.2.3,б). В качестве корректирующей эмиттерной цепочки R_корС_кор в макете (см.рис.стенда) используются элементы R6,C7. При эмиттерной коррекции в каскаде создается отрицательная обратная связь, которая из-за малого значения емкости конденсатора С_кор (С7) создает заметное снижение усиления на СЧ. В области ВЧ конденсатор С_кор начинает проявлять заметное шунтирующее влияние на резистор R_кор (R6), уменьшающее глубину обратной связи. Благодаря этому происходит улучшение передаточных свойств эквивалентного транзистора по сравнению со средними частотами. Таким образом, эквивалентный включающий цепочку R_корС_кор транзистор имеет подъем НАЧХ в области ВЧ.

При рассмотрении АЧХ каскада за начало корректирующего действия цепочки R_корС_кор можно принять частоту f_кор, на которой выполняется условие

R_кор=1/2f_корС_кор. Наилучшие по равномерности частотные характеристики получаются в каскаде, если элементы R_кор,С_кор удовлетворяют условию _кор=_с, где _кор= R_кор,С_кор.

Дополнительным источником спада амплитудно-частотной характеристики каскада в области ВЧ может являться его входная емкость С_вх, которая совместно с сопротивлением R_Г источника сигнала (рис.2.4) образует

фильтр нижних частот с НАЧХ вида

г де _вх=С_вхR_вхэкв – постоянная времени указанного фильтра;

Для схемы ОЭ С_вхC_бэ+C_к(K₀+1); ОК- С_вхС_к+С_бэ(1-К₀), где С_бэ– ёмкость перехода база - эмиттер; С_к – емкость коллекторного перехода (для различных марок транзисторов С_к лежит в пределах от десятых долей до единиц пикофарад).

С точки зрения уменьшения спада НАЧХ М_вх в области ВЧ, желательно использовать такие схемы включения, при которых С_вх мало. Наименьшее значение С_вх обеспечивает включение ОК. Снижению С_вх может способствовать введение в каскад ОЭ сопротивление обратной связи R_э , уменьшающего постоянную времени транзистора и коэффициент К₀ в F_оэ=1+(h_21э/h_11э)R_э раз. Малые частотные искажения во входной цепи имеют место также при работе от источников сигнала с малым значением сопротивления R_с , например, когда в качестве источника сигнала используется схема ОК.

Частотные искажения вызывают нарушение соотношения между спектральными составляющими сигнала, что обычно ведет к искажению формы усиливаемых сигналов. Эти искажения не связаны с нелинейностью вольт-амперных характеристик, не приводит к появлению новых составляющих в спектре; в связи с этим указанные искажения часто называют линейными.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Исследование транзисторного каскада при различных

способах включения усилительного прибора

Цель работы:

1. Изучение принципов построения и работы усилительного каскада;

2. Исследование зависимости свойств каскада от способа включения в нем усилительного прибора;

3. Приобретение практических навыков построения схем усилительных каскадов.

Порядок выполнения работы

Исследование различных схем транзисторных усилителей проводится в условиях, когда не проявляются нелинейные и инерционные свойства усилительного прибора. С этой целью все измерения следует проводить на частоте входного сигнала равной 1 кГц при действующем значении переменного напряжения на выходе встроенного генератора U_G  ~  10 – 30 мВ. Во всех экспериментах измерения проводятся при постоянной составляющей эмиттерного тока I_э0 = (2 - 6) мА. Переход от действующих значений к постоянным составляющим производится нажатием кнопки «Значение». Регулировка эмиттерного тока осуществляется изменением напряжения смещения на базе транзистора (ручка E_см ), а величина I_э0  определяется из соотношения I_э0  = U_э0 /R8 (S4 в положении 2).

Измерение напряжений производится с помощью встроенного мультиметра "перелистыванием страниц" жидкокристаллического дисплея кнопками"<" и ">".

Для выполнения следующих пунктов установить режим:

• f = 1 кГц

• U_G = 10…30 мВ

• I_эо = 2…6 мА.

ВНИМАНИЕ! При изменении положения переключателя S2 необходимо заново произвести установку эмиттерного тока.

1. Определить значения составляющих H-параметров транзистора (h₁₁ h₂₁  и h₂₂ ) на низких частотах при его включении по схеме с ОЭ (переключатель S5 в положении 1).

h₁₁ = dU_б/dI_б ≈ U_б R1/(U_G -U_б ) при U_к = 0; (Положения переключателей: S1 - 3; S2 - 1; S3 - 3);

h₂₁= dI_к /dI_б ≈ (1/R9+1/R19)U_к R1/(U_G -U_б )  при r_н ~0 ; (Положения переключателей: S1 - 2; S2 - 1; S3 - 1; S6 - 3);

h₂₂ =dI_к /dU_к ≈ [R18(U_к'/U_к"-1)]^-1-(1/R14) при R_G~ ; (Положения переключателей: S1 - 4; S2 - 1; S3 - 4; S6 - 1 и 2).

Во всех соотношениях U_б, U_к и U_G - действующие значения переменных напряжений на базе, коллекторе транзистора и на выходе встроенного генератора соответственно. U_к' и U_к" – коллекторные напряжения, соответствующие положению переключателя S6 1 и 2.

2. Исследовать при R_н = 910 Ом свойства каскада, выполненного по схеме с ОЭ(S1 - 3; S2 - 1; S3 - 4; S4- 2; S5 – 1 ; S6 - 1), т.е. определить значения коэффициента усиления K, входного и выходного сопротивлений r_вх  и r_вых, соответственно. Определение выходного сопротивления, как и в предыдущем пункте, требует измерения U_к при двух положениях переключателя S6 - 1 и 2. Вычисление основных параметров выполнить по формулам:

K= U_к/U_б (S1 – 3);

r_вх = U_б R1/(U_G - U_б) ( S1 – 3);

r_вых ={ [R18(U_к'/U_к"-1)]^-1-1/R14 }^-1 (S1 – 2).

Здесь U_к' и U_к" – коллекторные напряжения, соответствующие положению переключателя S6 1 и 2.

3. Исследовать при R_н = 500 Ом (S5 - 3) свойства каскада, выполненного по схеме с ОК (S2 – 2; S3 – 3; S4 – 2), U_G=0,07…0,08 В.

Вычисление основных параметров каскада произвести по формулам:

K= U_э/U_б (S1 – 2);

r_вх = U_б R2/ (U_G - U_б) (S1 – 4);

r_вых = R12(U_э'/U_э"-1) при (S1 – 2);

где U_э - действующее значение переменного напряжения на эмиттере транзистора; U_э' и U_э" - эмиттерные напряжения, соответствующие положениям переключателя S5 - 3 и 2.

4. Исследовать при R_н = 910 Ом (S3 - 4; S6 - 1) свойства каскада, выполненного по схеме с ОБ (S1 - 5; S2 - 1; S5 - 5), U_э = 0,01…0,02 В (установить изменением U_G).

Вычисление основных параметров каскада выполнить по формулам:

K= U_к/U_э;

r_вх  = R17 U_э/(U_G - U_э);

r_вых = {[R18(U_к'/U_к"-1)]^-1– 1/R₁₄}^-1.

Здесь U_к' и U_к" – коллекторные напряжения, соответствующие положению переключателя S6 1 и 2.

Требования к отчету

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

• краткие теоретические сведения;

• описание экспериментальной установки;

• таблицы с результатами экспериментов;

• графики;

• выводы по работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Исследование частотных свойств транзисторного усилительного каскада

Цель работы:

1. Изучение частотных свойств транзисторного усилительного каскада;

2. Приобретение практических навыков построения схем усилительных каскадов.

Порядок выполнения работы

Основным содержанием экспериментальных исследований является измерение АЧХ каскада при различных вариантах его построения. Исследования ведутся в двух частотных областях: в области низких частот (f < 1 кГц) и в области высоких частот (f >1 кГц). Поставить переключатели S2 и S4 в положение 2, с помощью потенциометра E_см установить постоянную составляющую эмиттерного тока I_э0 = 2,0 - 6 мА.

 ВНИМАНИЕ! При изменении положения переключателя S2 необходимо заново произвести установку эмиттерного тока.

1. В области НЧ (f < 1 кГц) исследовать зависимость от частоты f передаточных свойств разделительной цепи и транзистора в каскаде с ОЭ:

S1 - 1; S3 - 1; S5 – 2; S6 – 1

Для этого установить на частоте 10 Гц уровень входного сигнала U_G ~  10 - 30 мВ (режим генератора «~») и далее не изменяя уровень U, измерить частотные зависимости напряжений U_G, U_б и U_к.

По результатам измерений вычислить значения коэффициентов передачи разделительной цепи K_p(f) = U_б(f)/U_G и транзистора K_f(f) = U_к(f)/U_б(f), а также значения нормированной АЧХ (НАЧХ) разделительной цепи M_p(f) = K_p(f)/K_p0 и нормированной АЧХ (НАЧХ) эквивалентного транзистора M_f(f) =K_f(f)/K_f0, где K_p0 и  K_f0 - значения коэффициентов передачи K_p(f) и K_f(f) на частоте 1 кГц. Сопоставить полученные результаты с теоретическими, определяемыми соотношениями, приведенными в разделе "Частотные свойства усилителей" (для этого представить в общих координатных осях графики теоретических и экспериментальных зависимостей).

2. Измерить частотные характеристики коэффициента передачи каскада M_B в области верхних (f  1 кГц) частот в схеме с ОЭ:

S1 - 2; S2 - 2; S3 - 4; S4 - 2; S5 - 1; S6 - 2

Для этого установить U_G ~  13 мВ. Снять частотную характеристику коэффициента передачи каскада M_B(f) = K(f)/K₀ (1 кГц), где K(f) = U_к/U_G  - коэффициент передачи каскада, K₀ - значение коэффициента передачи каскада K(f) на частоте 1 кГц, в диапазоне частот от 1 кГц и выше при двух значениях сопротивления нагрузки:

а) r'_н1= R14+1/R18 (S6 – 2)

б) r'_н2=R14 (S6 - 1).

По данным эксперимента на частоте 18 кГц вычислить M_B1 и M_B2, т.е. значения M_B при r'_н1 и r'_н2. На основании измеренных M_B1 и M_B2 вычислить значения параметров  и C с помощью системы уравнений:

M_{B 1} = (1+  ²²)^-0,5 · (1+ ²C²r'_н1²)^-0,5,

M_{B 2} = (1+  ²²)^-0,5 · (1+ ²C²r'_н2²)^-0,5.

3. Исследовать ход АЧХ и НАЧХ в области верхних частот (1 кГц  f  18 кГц) при различных вариантах включения транзистора:

а) ОЭ: S1 - 2; S2 - 2; S3 - 4; S4 - 2; S5 - 1; S6 – 2 (снято в п.2),

б) ОБ: S1 - 5; S2 - 2; S3 - 4; S4 - 2; S5 - 5; S6 - 2 (U_э ~  0,015 В),

в) ОК: S1 - 2; S2 - 2; S3 - 3; S4 - 2; S5 – 3 (U_б ~  0,5 В).

Результаты исследований представить в виде графиков M_B (f) = K(f)/K₀(1 кГц), где K = U_вых/U_G  - коэффициент передачи каскада, U_вых - напряжение на выходе усилителя (U_к или U_э в зависимости от схемы включения транзистора).