Контрольные вопросы

1. Для какой цели применяется усилитель входного сигнала?

2. Почему схема усилителя с общим эмиттером (истоком, катодом) применяется наиболее широко?

3. Каковы основные параметры и характеристики усилителей?

4. Что такое нелинейные искажения? Какова причина их возникновения?

5. Что такое частотные искажения? Какова причина их возникновения?

6. Какие виды обратных связей применяются в усилителях? Каково их влияние на параметры и характеристики усилителей?

7. Покажите, что усилительные каскады по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом) поворачивают фазу сигнала на 180 градусов.

8. Поясните назначение элементов, входящих в схему усилителя.

9. Чем отличаются каскады усилителя по напряжению и току? Какие электронные приборы могут применяться в этих каскадах?

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Таблицы наблюдений и графики.

3. Краткие ответы на контрольные вопросы.

4. Краткие выводы.

Лабораторная работа 5 Исследование усилителя напряжения на биполярном транзисторе

Цели работы: 1. Исследование основных характеристик усилительных каскадов на биполярном транзисторе в схемах с общим эмиттером и коллектором.

2. Исследование режима работы транзистора по постоянному току.

Оборудование: 1. Лабораторный макет.

2. Звуковой генератор Г3-102.

3. Электронный двухлучевой осциллограф CI-93.

4. Вольтметр универсальный цифровой В7-35.

5. Источник постоянного тока «Агат».

6. Соединительные провода.

Рекомендательный библиографический список: [1], Гл.4: §§ 4.1, 4.2–4.7, Гл.9: §§ 9.1–9.11; [2], Гл.2: §2.2; Гл.5; Гл.6; [4], Гл.4: §4.17; Гл.5: §§ 5.1, 5.2; [5], Гл.3: §3.4; Гл.5: §§ 5.1–5.4, 5.9.

Несмотря на большое разнообразие, все усилители имеют ряд общих показателей и характеристик. К числу основных можно отнести коэффициент усиления по напряжению К_u=U_вых/U_вх , а также амплитудно-частотную, фазо-частотную и амплитудную характеристики.

Амплитудно-частотной характеристикой усилителя называется зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты сигнала.

Фазо-частотной характеристикой усилителя называется зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжением от частоты.

Амплитудная характеристика показывает зависимость выходного напряжения усилителя от его входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала.

В реальных усилителях выходное напряжение по форме не совпадает с входным. Всякие отклонения такого рода называются искажениями, вносимыми усилителем. Различают три основных вида искажений: нелинейные, частотные и фазовые.

Нелинейными искажениями называют изменение формы выходного напряжения, вызванное появлением на выходе усилителя новых гармонических составляющих. Основной причиной появления в усилителе нелинейных искажений в первую очередь является нелинейность характеристик усилительных элементов, проявляющаяся при усилении сигналов больших амплитуд, а также частотная зависимость сопротивлений разделительных и шунтирующих конденсаторов.

Частотными искажениями называют изменение формы выходного напряжения, вызванное изменением относительных значений амплитуд отдельных гармонических составляющих. Наличие частотных искажений приводит к зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты.

Фазовыми искажениями называют изменение формы выходного напряжения, вызванное неодинаковым сдвигом во времени отдельных гармонических составляющих.

Свойства и основные характеристики усилителей напряжения зависят от схемы включения транзистора: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой. Схемы RC-усилителей с указанным включением транзистора показаны на рис. 5.1.

В схеме усилителя с общим эмиттером (ОЭ) напряжения на транзистор подаются и измеряются относительно эмиттера; входной цепью является цепь база-эмиттер, а выходной – коллектор-эмиттер. Здесь эмиттер транзистора по переменному току соединен с общим проводом через конденсатор С_э.

В схеме усилителя с общим коллектором (ОК) напряжения на транзистор подаются и измеряются относительно коллектора; входной цепью является цепь база-коллектор, а выходной – эмиттер-коллектор.

В схеме с общей базой (ОБ) напряжения на транзистор подаются и измеряются относительно базы; входной цепью является цепь эмиттер-база, а выходной – коллектор-база.

К

ак и в любой электронной схеме, пассивные элементы RC-каскадов выполняют различные функции. На одних пассивных элементах создается падение только постоянного напряжения, и они определяют режим работы схемы по постоянному току; на других – создается падение только переменного напряжения, и они определяют режим работы схемы по переменному току. Имеются также пассивные элементы, на которых создается падение и постоянного, и переменного напряжения.

В схеме с ОЭ режим транзистора по постоянному току создают: элементы R_эС_э – цепь температурной стабилизации; R₁R₂ – делитель, создающий напряжение смещения на базе. Смещение фиксированным напряжением дает хорошие результаты при замене транзистора и изменении температуры. Однако он не экономичен из-за потери части энергии источника питания в делителе напряжения R₁R₂. Кроме того, сопротивление делителя (для источника входного сигнала это параллельно включенные резисторы R₁ и R₂) шунтирует входную цепь транзистора, нагружая источник входного сигнала.

Режим работы транзистора по переменному току определяется резистором R_к (нагрузка усилителя) и разделительным конденсатором С_р, разделяющим усиленное переменное напряжение и постоянное напряжение на коллекторе, сравнимое по величине с переменным. Это постоянное напряжение не должно подаваться на вход транзистора следующего каскада.

Величины токов, текущих в различных цепях транзистора (I_б, I_к, I_э), также определяются сопротивлениями резисторов, входящими в схему усилителя.

Аналогичным образом можно определить назначение пассивных элементов в схемах с общим коллектором и общей базой.

В схеме усилителя с ОК коллектор соединен по переменному току с общим проводом через конденсатор большой емкости в источнике питания усилителя. При этом все выходное напряжение, снимаемое с резистора R_э в цепи эмиттера действует в управляющей цепи транзистора последовательно входному напряжению и противофазно ему. Следовательно, каскад охвачен отрицательной обратной связью. Коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи β = 1, т. е. здесь реализована 100% отрицательная обратная связь. Поскольку β = 1, коэффициент усиления каскада с ОК:

К_с = К/(1+К),

где К – коэффициент усиления по напряжению схемы с ОЭ, сопротивление нагрузки которой R_к равно R_э в схеме с ОК.

Из формулы следует, что усилитель с ОК не усиливает сигнал по напряжению, а даже его несколько ослабляет. При этом выходное напряжение повторяет фазу входного сигнала. Схему с ОК называют также эмиттерным повторителем. Название «эмиттерный повторитель» связано с тем, что этот усилитель практически полностью повторяет входной сигнал.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя велико и без учета сопротивлений резисторов делителя приближенно может быть рассчитано по формуле: R_вх.эп. ≈ h_21э R_э .

Верхний предел входного сопротивления R_вх.эп. ограничен сопротивлением обратно смещенного коллекторного перехода транзистора, которое для современных транзисторов составляет единицы мегом.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя мало и не превышает нескольких десятков Ом.

Большое входное и малое выходное сопротивления эмиттерных повторителей позволяет их использовать в качестве каскадов, согласующих высокоомный выход одной схемы с низкоомным входом другой или с низкоомной нагрузкой. Их также используют для передачи сигналов без изменения формы, амплитуды и фазы при значительном усилении сигнала по току и мощности.

Основные параметры RC-усилителей сведены в таблицу:

Параметр	Схема с ОЭ	Схема с ОК	Схема с ОБ
Входное сопротивление	до единиц кОм	до десятков кОм	до десятков Ом
Выходное сопротивление	до десятков кОм	до единиц кОм	до сотен кОм
Усиление по току	десятки	десятки	< 1
Усиление по мощности	до тысяч и более	десятки	до сотен
Усиление по напряжению	до сотен	<1	до сотен
Сдвиг фаз между Uвых и Uвх	180о	0	0