Лабораторна робота № 8 Дослідження роботи транзисторних каскадів

8.1 Мета: 1. Дослідження коефіцієнта підсилення по напрузі в підсилювачах з загальним емітером і загальним колектором. 2. Визначення фазового зсуву сигналів у підсилювачах. 3. Вимірювання вхідного і вихідного опорів підсилювачів і дослідження їх впливу на коефіцієнт підсилення по напрузі. 4. Аналіз впливу навантаження на коефіцієнт підсилення по напрузі. 5. Дослідження впливу розділового конденсатора на підсилення перемінного сигналу.

8.2 Короткі теоретичні відомості

Схеми підсилювальних каскадів характеризуються великою різноманітністю. Разом з тим принцип побудови головних ланцюгів підсилювальних каскадів однаковий, він зображений на прикладі структурної схеми на рисунку 8.1, а.

Малюнок 8.1 - Принцип побудови (а) і тимчасові діаграми (б) підсилювального каскаду

Основними елементами каскаду є керований елемент УЕ, функцію якого виконує біполярний (польовий) транзистор і резистор R. Спільно з напругою живлення Е ці елементи утворюють вихідний ланцюг каскаду. Підсилюваний сигнал U_вх, прийнятий на малюнку 8.1 а) для простоти синусоїдним, подається на вхід УЕ. Вихідний сигнал U_вих знімається з виходу УЕ або з резистора R. Він створюється в результаті зміни опору УЕ і, отже, струму І у вихідному ланцюзі під впливом, вхідного напруження. Процес підсилення грунтується на перетворенні енергії джерела постійної напруги Е в енергію змінної напруги у вихідному ланцюгу за рахунок зміни опору керованого елемента за законом, що задається вхідним сигналом. Зважаючи на використання для живлення джерела постійної напруги Е струм І у вихідному ланцюзі каскаду є односпрямованим (рисунок 8.1 а). При цьому змінний струм і напруга вихідного ланцюга (пропорційні струму і напрузі вхідного сигналу) слід розглядати як змінні складові сумарних струму і напруги, що накладаються на їх

постійні складові In і Un і (рисунок 8.1 б). Зв'язок між постійними і змінними складовими повинна бути такою, щоб амплітудні значення змінних складових не перевищували постійних складових, тобто In Im і Un Um. Якщо ці умови не будуть виконуватися, струм І у вихідному ланцюзі на окремих інтервалах буде дорівнювати нулю, що призведе до спотворення форми вихідного сигналу. Таким чином, для забезпечення роботи підсилювального каскаду при змінному вхідному сигналі в його вихідний ланцюг повинні бути створені постійні складові струму In і напруги Un. Задачу вирішують шляхом подачі у вхідний ланцюг каскаду крім підсилюючого сигналу відповідну постійну напруги Uвxn (або завдання відповідного постійного вхідного струму Івxn). Постійні складові струму і напруги визначають так званий режим спокою підсилювального каскаду. Параметри режиму спокою за вхідним ланцюгом (Iвxn, Uвxn) і по вихідним ланцюгом (In, Un) характеризують електричний стан схеми за відсутності вхідного сигналу. Показники підсилювальних каскадів залежать від способу включення транзистора, що виконує роль керованого елемента. Аналіз підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах проводиться для трьох способів включеня: з загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК) і загальною базою (ЗБ). Підсилювальний каскад із загальним емітером. Схема підсилювача з загальним емітером представлена ​​рисунку 8.2.

  Рисунок 8.2 - Схема підсилювального каскаду ЗЕ

Коефіцієнт посилення по напрузі підсилювача з ЗЕ наближено дорівнює відношенню опору в ланцюзі колектора Rк опору в ланцюзі емітера Re: Ku = Rk / Re, де Rk - опір в ланцюзі колектора, яке визначається паралельним з'єднанням опору колектора Rк і опо ру навантаження Rн

Коефіцієнт підсилення по напрузі підсилювача з ЗЕ наближено дорівнює відношенню опору в ланцюзі колектора rk опору в ланцюзі емітера re:

(8.1)

де rk - опір в ланцюзі колектора, який визначається паралельним з'єднанням опорів колектора Rк і навантаженням Rн. re - диференціальний опір емітерного переходу, рівний 25мВ / Іе. Для підсилювача з опором Rе в ланцюзі емітера коефіцієнт посилення дорівнює:

(8.2)

Вхідний опір підсилювача по змінному струму визначається як відношення амплітуд синусоїданої вхідної напруги Uвх і вхідного струму Івх

(8.3)

Вхідний опір транзистора ri визначається за формулою:

(8.4)

Вхідний опір підсилювача по змінному струму rвх обчислюється як паралельне з'єднання опорів ri, R1 і R2:

(8.5)

Значення диференціального вихідного опору схеми знаходиться по напрузі Uxx холостого ходу на виході підсилювача, який може бути виміряний як падіння напруги на опорі навантаження, який перевищує 200 кОм, і по напрузі Uвux, виміряної для даного опору навантаження Rн, з наступного рівняння, розв’язаного щодо :

(8.6)

Опір Rн 200 кОм можна вважати розривом в ланцюзі навантаження.