Лабораторна робота № 5 дослідження однокаскадного підсилювача електричних сигналів низької частоти з спільним емітером

Мета роботи

Дослідити однокаскадний підсилювач електричних сигналів (попереднього підсилювального каскаду) низької частоти з спільним емітером (СЕ).

Основні теоретичні відомості

Підсилювачі низької частоти призначені для підсилення електричних сигналів (напруги, струму, потужності) низької частоти (до 100 кГц).

Підсилювач - це чотириполюсник (рисунок 5.1), який характеризується:

- коефіцієнтом підсилення за напругою в режимі холостого ходу

KU xx =Uвих. хх / Uвх;

(5.1)

- вихідним динамічним опором

Rвих = Uвих. хх / Iвих. кз;

(5.2)

- вхідним динамічним опором

Rвх = Uвх / Iвх,

(5.3)

де U_вх , І_вх , U_вих , І_вих – діючі значення напруги та струму відповідно вхідного та вихідного сигналів; U_{вих. хх} , І_{вих. кз} – діючі значення вихідних напруги в режимі холостого ходу ( R_н = ∞ ) і струму в режимі короткого замикання ( R_н = 0 ).

Рисунок 5.1 – Схема підсилювача у вигляді чотириполюсника

Коефіцієнти підсилення каскаду за напругою, струмом і потужністю при певному R_н визначають за формулами:

;	(5.4)
;	(5.5)
.	(5.6)

де P_вих , P_вх – значення потужності вихідного та вхідного сигналів. Коефіцієнти підсилення виражають у логарифмічних одиницях - децибелах (дБ):

;	(5.7)
;	(5.8)
.	(5.9)

Найчастіше використовують однокаскадний підсилювач з СЕ ( рисунок 5.2). Основним елементом каскаду є біполярний транзистор VT n-p-n типу. При використанні транзистора p-n-p типу необхідно змінити полярність напруги живлення ( Е_К ). З резистора R_К в колі колектора знімається вихідний сигнал. Опір резистора R_К визначає підсилення каскаду і знаходиться в межах від 100 Ом до 5 кОм. Резистори R_Б1 і R_Б2 утворюють подільник напруги і призначені для встановлення необхідної напруги зміщення між базою і емітером U_БЕ. Резистор R_Е служить для забезпечення температурної стабільності каскаду. Температурна стабільність досягається за рахунок від’ємного зворотного зв’язку на постійному струмі (частина вихідної напруги подається у вхідне коло). Конденсатор С_Е виключає від’ємний зворотний на змінному струмі, завдяки чому досягаються значно більші значення коефіцієнтів підсилення каскаду. З цією метою ємність С_Е вибирають виходячи з умови:

1 / (ωСЕ ) < RЕ.

(5.10)

Конденсатори С₁ та С₂ призначені для забезпечення зв’язку каскаду на змінному струмі.

При відсутності вхідного сигналу транзистор знаходиться в активному режимі, який характеризується струмами і напругами спокою І_КР , І_БР ,U_КEР , U_БЕР. Зв’язок між вихідним струмом І_К та напругою U_КЕ визначається рівнянням вихідної характеристики:

UКE = EК - ( RК + RE ) І К.

(5.11)

Рисунок 5.2 – Принципова схема підсилювача з СЕ

Цьому рівнянню відповідає лінія статичного навантаження (ЛСН), яку наносять на графіки вихідних статичних характеристик транзистора (рисунок 5.3, б). ЛСН проходить через точки Е_К на осі абсцис і Е_К / ( R_К + R_E ) на осі ординат.

Струми спокою І_КР та І_БР визначаються напругою зміщення U_БЕР , яка, в свою чергу, задається подільником напруги R_Б1, R_Б2. Для визначення необхідного значення U_БЕР будують прохідну (рисунок 5.3, а) та вхідну (рисунок 5.3, в) статичні характеристики підсилювача. Для побудови прохідної характеристики підсилювача використовують точки перетину ЛСН з вихідними характеристиками транзистора. В якості вхідної статичної характеристики підсилювача може бути використана вхідна характеристика транзистора, знята при U_КE ≈ U_БЕР . Значення І_БР та U_БЕР визначають відповідно за прохідною та вхідною статичними характеристиками підсилювача.

а)

Рисунок 5.3 – Вихідна (б), прохідна (а) та вхідна (в) статичні характеристики підсилювача

При подачі вхідної напруги u_вх струми бази, колектора та емітера являють собою суму часткових струмів – струму спокою і струму, зумовленого дією вхідної напруги.

Змінні складові струмів та напруг можуть бути визначені графічно шляхом побудови динамічних характеристик підсилювача або аналітично з використанням динамічних параметрів транзистора, враховуючи що

iК = h21 Е iБ ; iБ = uвх / h11Е ; i Е = i Б + i К ,

(5.12)

де h_{21 Е} – динамічний коефіцієнт передачі струму бази транзистора з спільним емітером; h_{11 Е} – динамічний вхідний опір транзистора.

Для визначення основних параметрів підсилювального каскаду використовують схему заміщення (рисунок 5.4), яка справедлива для малого вхідного сигналу u_вх. Резистивний елемент R_Б відображає паралельне з’єднання резисторів R₁ і R₂ (відносно вхідного сигналу). В першому наближенні ємності конденсаторів можуть бути не враховані, що значно спрощує аналіз роботи підсилювача.

Рисунок 5.4 – Схема заміщення підсилювача з СЕ

Значення коефіцієнта підсилення за напругою в режимі холостого ходу ( R_н= ∞ ):

;

(5.13)

– вихідного динамічного опору підсилювача:

;

(5.14)

– вхідного динамічного опору підсилювача:

.

(5.15)

Основною характеристикою каскадів попереднього підсилення електричних сигналів є їх амплітудно - частотна характеристика ( АЧХ ): K_U ( ω ); K_І ( ω) ; K_Р ( ω ). Типова АЧХ K_U ( ω ) зображена на рисунку 5.5.

Залежність коефіцієнтів підсилення від частоти зумовлена наявністю реактивних елементів С₁, С₂.

Внаслідок нерівномірності АЧХ підсилювача сигнали низьких і високих частот підсилюються слабше і спектр вихідного сигналу відрізняється від спектру вхідного сигналу. Виникають частотні (лінійні) спотворення .

Для їх оцінки використовується коефіцієнт частотних спотворень:

М = КU 0 / КU ,

(5.16)

Рисунок 5.5 – Типова АЧХ підсилювачів

де К_{U 0}, К_U – значення коефіцієнта підсилення відповідно на середніх частотах і даній частоті.

Частоти, на яких коефіцієнт підсилення К_U (або К_І ) зменшується до значення К_{U 0} / називають нижньою ω_н і верхньою ω_в частотами зрізу, а різницю частот ∆ω = ω_в – ω_н – смугою пропускання підсилювача.

Рисунок 5.6 – Типова амплітудна характеристика підсилювача ідеального (1) і реального (2)

Важливою характеристикою підсилювача є його амплітудна характеристика. За її допомогою можна оцінити нелінійні спотворення підсилених сигналів та їх динамічний діапазон при певному рівні спотворень. Амплітудна характеристика ідеального підсилювача (рисунок 5.6) являє собою пряму 1, що проходить через початок координат. В такому підсилювачі нелінійні спотворення відсутні. Амплітудна характеристика 2 реального підсилювача лінійна на обмеженій ділянці аb. При знаходженні робочої точки поблизу області відсічки або насичення, а також при великих вхідних сигналах внаслідок обмежень в області відсічки і насичення вихідна напруга перестає зростати. Внаслідок цього виникають нелінійні спотворення, які оцінюються коефіцієнтом гармонік

,

(5.17)

де U_вих , U_{вих. n} – діючі значення першої ( основної ) і n-ої ( n = 2, 3,…) гармонік вихідної напруги. Підсилення сигналів з діючими значеннями U _вх менше від U _{вх мін} практично неможливе, оскільки підсилений сигнал важко виділити з шумів підсилювача. Відношення

D = Uвх. макс / U вх. мін

(5.18)

називається динамічним діапазоном підсилювача.

Схема підсилювача зображена на рисунку 5.7.

Порядок виконання роботи

U _вих

Рисунок 5.7 – Принципова схема підсилювача НЧ

1 Зняти АЧХ каскаду з СЕ в режимі холостого ходу (С_Е = 10 мкФ ).

Для цього вхідний сигнал (від генератора ГЗ-118) подати на вхід XS1, перемикачі встановити в такі положення: SA1 – в “4”, SA2 – в “1”. Результати записати в таблицю 5.1. Вимірювання вхідної та вихідної напруг здійснюється цифровими вольтметрами (осцилограф, який під’єднується до виходу підсилювача, призначений для контролю відсутності спотворень вихідного сигналу).

Таблиця 5.1 - Результати досліджень

f , кГц	0,1	0,2	0,5	1,0	2,0	5,0	10	20	50	100
U вх , мB
U вих , мB
K U XX

2 Зняти амплітудну характеристику каскаду з СЕ. Результати записати в таблицю 5.2.

f =_____ кГц, R_н = _____ кОм, С_Е = 10 мкФ

Таблиця 5.2 - Результати досліджень

U вх , мB
Uвих, мB

3 Дослідити вплив опору навантаження на параметри підсилювача. Результати записати в таблицю 5.3.

f =_____ кГц, С_Е = 10 мкФ

Таблиця 5.3 - Результати досліджень

Rн , кОм	∞		1,2		0,68		0,36		0,1
U вх , мB
Uвих, мB
KU

4 Дослідити вплив ємності СЕ на параметри підсилювального каскаду. Результати записати в таблицю 5.4.

f = _____ кГц, R_н = _____ кОм,

Таблиця 5.4 - Результати досліджень

CE, мкФ	–		1		5		10		20
U вх , мB
Uвих, мB
KU

Обробка результатів досліджень

1 Побудувати АЧХ каскаду з СЕ. Визначити смугу пропускання підсилювача.

2 Побудувати амплітудну характеристику каскаду з СЕ. Визначити динамічний діапазон підсилювального каскаду.

3 Побудувати графіки залежностей К_U (R_н) каскаду. Визначити вихідний динамічний опір підсилювача.

4 Побудувати графіки залежностей К_U (С_Е) каскаду. Пояснити вплив ємності С_Е на коефіцієнт підсилення.

Зробити висновки про виконану роботу.

Контрольні запитання

1 Яке призначення елементів в підсилювачі з СЕ?

2 Як визначаються струми та напруги спокою підсилювального каскаду з СЕ?

3 За схемою заміщення підсилювального каскаду з СЕ в режимі малого сигналу виведіть значення динамічних параметрів К_{U хх} , R _вих та R _вх .

4 Як за АЧХ підсилювача визначити його смугу пропускання?