Порядок выполнения лабораторной работы

Приборы и элементы: осциллограф; функциональный генератор; биполярный транзистор; источники постоянной ЭДС; источники переменной ЭДС; конденсаторы; резисторы.

Параметры генератора:

- частота (freguency) – 50 Гц;

- длительность (duty circle) – 50%;

- амплитуда (amplitude) – 100 мВ;

- смещение (offset) – 0.

Параметры осциллографа: Тimе bаsе (0,5 ms/div ; Y/Т) Тriggег (Аutо) Сhаnnеl А (10 mv/div ; DС) Сhаnnеl В (1 v/div ; DС)

Исследование каскада с общим эмиттером в области малого сигнала

а) Собрать схему изображенную на рис. 1.3. Установочные параметры приборов также должны соответствовать следующим:

Рис. 1.3

б) Включить схему. Для установившегося режима записать результаты измерений амплитуд входного и выходного напряжений, разности фаз входного и выходного синусоидального сигналов (разность фаз можно определить при помощи Боде-плоттера). По результатам измерений амплитуд входного и выходного синусоидальных напряжений, вычислить коэффициент усиления усилителя по напряжению. Результат записать.

в) Для схемы на рисунке определить ток эмиттера. По его значению вычислить дифференциальное сопротивление r_Э эмиттерного перехода. Используя найденное значение, вычислить коэффициент усиления каскада по напряжению. Результаты записать.

г) Подключить резистор R_D между точкой U_ВХ и конденсатором С₁, разомкнув ключ [Space]. Включить схему. Измерить амплитуды входного u_ВХ и выходного u_ВЫХ напряжения. Вычислить новое значение коэффициента усиления по напряжению по результатам измерений. Результаты записать.

д) Переместить щуп канала А осциллографа в узел U_Б. Снова включить схему и измерить амплитуду u_Б входного синусоидального напряжения в точке U_Б. По результатам измерения напряжения u_Б и u_ВЫХ вычислить коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада. По результатам измерения амплитуд напряжения u_ВХ и u_Б вычислить входной ток i_ВХ. По значениям u_ВХ и i_ВХ вычислить входное сопротивление r_ВХ усилителя по переменному току. Результаты записать.

е) По значению коэффициента усиления тока , и величине дифференциального эмиттерного сопротивления r_Э вычислить входное сопротивление транзистора r_i. Вычислить значение r_ВХ, используя значения сопротивлений R₁, R₂ и r_i. Результаты записать.

ж) Замкнуть резистор R_D между узлом U_ВХ и конденсатором С₁, замкнув ключ [Space]. Переместить щуп канала А осциллографа в узел U_ВХ. Установить номинал резистора R_L 2 кОм. Затем включить схему и измерить амплитуды входного и выходного синусоидального напряжения. Используя результаты измерений, вычислить новое значение коэффициента усиления по напряжению. Результаты записать.

з) Используя результаты измерений амплитуды выходного синусоидального напряжения в пункте б) и пункте ж), значение сопротивления нагрузки в пункте ж), вычислить выходное сопротивление усилителя. Результат записать.

и) Установить номинал резистора R_L 200 кОм. Переставить щуп канала В осциллографа в узел U_С и включить схему. Измерить постоянную составляющую выходного сигнала и записать результат измерения.

к) Вернуть щуп канала В осциллографа в узел U_OUT. На осциллографе установите масштаб для входа 10мВ/дел. Убрать шунтирующий конденсатор С₃ и включить схему. Измерить амплитуды входного и выходного синусоидального напряжения. По результатам измерений вычислить значение коэффициента усиления каскада с ОЭ с сопротивлением в цепи эмиттера по напряжению. Записать результаты.

л) По величине сопротивления r_Э и значению сопротивления R_Э вычислить значение коэффициента усиления усилителя с ОЭ с сопротивлением в цепи эмиттера по напряжению.

Исследование каскада с общим коллектором в области малого сигнала

а) Собрать схему изображенную на рис. 1.4.

Рис. 1.4

Установочные параметры приборов в схеме должны соответствовать установочным параметрам приборов. Мультиметр должен быть установлен для измерения постоянного напряжения.

б) Включить схему. Измерить постоянные составляющие напряжения в точках U_Б и U_Э. Вычислить постоянные составляющие напряжения в точках U_Б, U_Э и ток эмиттера, используя значения параметров компонентов схемы (U_БЭ0.7В). Результаты записать.

в) Включить схему. Измерить амплитуды входного и выходного напряжения. Определить разность фаз между входным и выходным напряжением (это можно сделать при помощи Боде-плоттера). По результатам измерений вычислить коэффициент усиления по напряжению. Вычислить коэффициент усиления эмиттерного повторителя по напряжению, используя параметры схемы. Записать результаты.

г) Подключить резистор между точкой U_ВХ и конденсатором С₁, разомкнув ключ [Space]. Включить схему. Измерить амплитуды входного и выходного синусоидального напряжения. По результатам измерений амплитуды входного синусоидального сигнала в этом и предыдущем пунктах вычислить входной ток. По величинам i_ВХ и u_ВХ вычислить дифференциальное входное сопротивление r_ВХ. Записать результаты.

д) Используя значения параметров компонентов схемы, вычислить входное сопротивление каскада r_ВХ (=200).

е) Закоротить резистор, замкнув ключ [Space]. Изменить номинал резистора R_L до 200 кОм. Затем включить схему и записать результаты измерения выходного напряжения. Это напряжение приблизительно равно напряжению холостого хода, так как сопротивление 200 кОм можно считать разрывом цепи. Уменьшить значение этого сопротивления до 200 Ом и снова включить схему. Измерить амплитуду напряжения на нагрузке. Вычислить выходное сопротивление каскада по результатам измерений. Запишите значения напряжения холостого хода, напряжения на нагрузке и выходного сопротивления каскада.

Проанализировать полученные результаты экспериментов и сделать выводы.

Лабораторная работа №2

«Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером с использованием пакета Electronics Workbench EWB»

Цель работы

1. Определение коэффициента усиления усилителя.

2. Построение амплитудной характеристики усилительного каскада.

3. Оценка нелинейных искажений при изменении коллекторного сопротивления.

4. Определение динамического диапазона усилителя.

5. Построение амплитудно-частотных характеристик и оценка линейных искажений при изменении значений реактивных элементов каскада.

Теоретическое введение

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов: электронная лампа, транзистор и некоторые другие электронные приборы.

Основные параметры и характеристики усилителей.

Одним из основных параметров усилителя является коэффициент усиления, который различают

по напряжению Ku = Uвых/ Uвх (1)

по току Ki = Iвых/ Iвх (2)

по мощности Kp = Pвых/ Pвх (3)

Для усилителей возможны различные значения коэффициентов усиления, но принципиально то, что Kp>1 всегда. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов, т. е.

Kn = K1*K2*…*Kn-1*Kn (4)

Часто коэффициент усиления представляют в децибелах (дБ)

Ku = 20lg(Uвых/ Uвх) = 20lgKu, (дБ) (5)

Ki = 20lg(Iвых/ Iвх) = 20lgKi, (дБ) (6)

Kp = 10lg(Pвых/ Pвх) = 10lgKp, (дБ) (7)

Если коэффициент усиления каждого каскада выражают в дБ, то общее усиление многокаскадного усилителя равно сумме коэффициентов усиления каскадов.

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы. При этом допускается некоторый сдвиг сигнала по времени. Отклонение форм входного и выходного сигналов принято называть искажениями. Они бывают двух видов: нелинейные и линейные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход синусоидального сигнала выходной сигнал будет не чисто синусоидальной формы, а будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто получается с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, который имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Уровень нелинейных искажений численно оценивается коэффициентом гармоник Kг, который пропорционален мощности, развиваемой высшими гармоническими составляющими. Так как мощность в свою очередь пропорциональна квадрату тока и напряжения, то

(8)

где P1, U1, I1 – мощность, ток и напряжение первой (основной) гармоники, n – номер гармоники. Для многокаскадного усилителя

(9)

Рис. 2.1

Для оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.1), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения Uвых от амплитудного значения входного сигнала Uвх неизменной частоты. Угол наклона характеристики определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменения угла наклона при больших Uвх указывают на появление искажений формы сигнала. Если входное напряжение не превышает значения Uвхmin, то напряжение на выходе усилителя Uвыхmin определяется напряжением его собственных шумов, которое «глушит» полезный выходной сигнал. При выходном напряжении, превышающем Uвхmax, активный элемент усилителя работает на нелинейных участках характеристик, что обуславливает ограничение амплитуды выходного сигнала и искажение его формы.

С амплитудной характеристикой связан один из важнейших параметров усилителя – динамический. Диапазон Д, определяемый отношением

Д = Uвхmax/ Uвхmin (10)

где Uвхmin и Uвхmax – минимальное и максимальное входное напряжение (рис.1), при которых нелинейные искажения усиливаемого сигнала и его различие на фоне шумов лежат в допустимых пределах.

Если динамический диапазон выражается в дБ, то Д (дБ) = 20lgД.

С качественной стороны динамический диапазон показывает способность усиливать минимальные и максимальные сигналы с допустимым уровнем их искажений и способностью различия их на фоне шумов.

З ависимость модуля коэффициента усиления от частоты представляет собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя, графическое изображение которой для наиболее распространенного класса усилителей переменного напряжения с емкостной связью показано на рис. 2.2, а.

Рис. 2.2 Частотные характеристики усилителя переменного напряжения

Поскольку модуль коэффициента усиления на разных частотах имеет разные значения, гармонические составляющие сложного выходного сигнала усиливаются неодинаково, и следовательно, форма выходного сигнала отлична от формы входного. Такие искажения усиливаемого сигнала называют частотными искажениями. Причиной частотных искажений являются реактивные элементы усилителя (индуктивности и емкости), сопротивления которых зависят от частоты, а также зависимость от частоты физических параметров полупроводниковых приборов, как активных элементов усилителя. К примеру параметр h21э (или h21б) с ростом частоты усиливаемого сигнала уменьшаются.

Мерой частотных искажений, которые вносит усилитель на частоте, служит коэффициент частотных искажений М, равный отношению модулей коэффициентов на средней и данной рабочей частотах:

M = Ko/ Kf (11)

где Ko – коэффициент усиления на средней частоте

Kf – коэффициент усиления на рабочей частоте.

Коэффициент М также может быть выражен в дБ –

M = 20lg(Ko/Kf) = 20lgM