- •Лабораторная работа 9
- •Цель и содержание
- •Теоретическое обоснование
- •3. Тиристоры
- •4 Варикапы
- •3 Полупроводниковые выпрямители
- •Лабораторная работа 10
- •Цель и содержание
- •Теоретическое обоснование
- •Аппаратура и материалы
- •Указания по технике безопасности
- •Методика и порядок выполнения работы
- •Вопросы для защиты работы
- •Лабораторная работа 11
- •Цель и содержание
- •Теоретическое обоснование
- •Методика и порядок выполнения работы
- •1. Исследование операционного усилителя с инвертированием
- •2. Исследование операционного усилителя без инвертирования
- •3 Исследование операционного усилителя в динамике
- •Вопросы для защиты работы
Лабораторная работа 10
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА
БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Цель и содержание
Цель работы: Изучение принципа действия и определение основных параметром усилителя напряжения на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером.
Содержание работы:
1. Изучить принцип действия усилителя напряжения на биполярном транзисторе, включенным по схеме с общим эмиттером.
2. Экспериментально провести расчет элементов схемы усилителя и определить ее основные параметры.
Теоретическое обоснование
Каскады усилителей напряжения чаще всего выполняют на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ) – рисунок 10, так как при этом получают наибольшее усиление сигнала по мощности (по сравнению с двумя другими схемами включения транзистора – с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК)). В зависимости от параметров, которыми должен обладать усилитель, на характеристиках транзистора (рисунок 11) выбирают рабочую точку усилительного каскада.
Основными требованиями, предъявляемыми к каскаду, являются: максимальное усиление по напряжению, минимальные частотные и нелинейные искажения; высокая экономичность, температурная стабильность. Одновременно выполнить все эти требования невозможно. Так, при большом усилении снижается устойчивость работы усилителя, который легко возбуждается, превращаясь в генератор, и нарушается его нормальное функционирование. Увеличение температурной стабильности обязательно сопровождается снижением усиления и КПД.
Рисунок 10 – Усилительный каскад на транзисторе по схеме с ОЭ
В данной работе исследуется усилитель, к которому предъявляют требования минимальных искажений усиливаемого сигнала при максимальном использовании возможностей транзистора. Рабочую точку такого каскада выбирают в определенной последовательности:
1. На семействе выходных характеристик транзистора (рисунок 11 а) строят линию нагрузки БВ, исходя из следующих условий:
и |
(11) |
Выполнение первого неравенства (11) обусловлено тем, что коллекторный ток насыщенного транзистора должен быть меньше максимально допустимого тока . Выполнение второго неравенства (11) обеспечивает надежную работу транзистора в режиме отсечки или при обрыве цепи резистора R1, когда напряжение на коллекторе транзистора поднимается до значения EK. Коэффициент 0,8 гарантирует выполнение неравенств при разбросе сопротивления резистора RК и нестабильности источника питания EK.
Рисунок 11 – Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора
Рабочая точка А каскада (Р.т.) выбирается посередине рабочего участка линии нагрузки БВ выходной характеристики и характеризуется тремя параметрами: токами и , напряжением . Затем ее переносят на входную характеристику транзистора, снятую при , и по найденному значению определяют напряжение (рисунок 11, б).
Входной сигнал (его ток IБ~ и напряжение UБЭ~) вызывает появление переменных составляющих тока коллектора IК~ и напряжения на коллекторе UKЭ~=IK~ ·RК (рисунок 10). Эмиттерный резистор RЭ из цепи переменного тока исключен, так как шунтируется малым сопротивлением конденсатора СЭ.
Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению КU каскада. Напряжение входного сигнала UВХ поступает через разделительный конденсатор С1 на базу транзистора VT и вызывает три тока. Два из них, проходящие через резисторы R1 и R2 делителя, бесполезны, а третий, IБ~, проходит в цепи базы транзистора и управляет его токами. Входным сопротивлением RВХ каскада для источника eC, обладающего внутренним сопротивлением RВН, являются параллельно включенные резисторы базового делителя R1||R2 и входное сопротивление h1IЭ транзистора, т.е.:
. |
(12) |
Обычно сопротивления резисторов R1 и R2 значительно больше входного сопротивления h1IЭ транзистора, поэтому формулу (12) можно упростить:
. |
(13) |
Цепь источника входного сигнала, которым может быть каскад предварительного усиления, представляет собой последовательно включенные внутреннее сопротивление RВН генератора и входное сопротивление RВХ каскада.
Согласно формуле (13):
, |
(14) |
так как переменными токами, проходящими через резисторы R1 и R2 от источника можно пренебречь. Отсюда переменная составляющая тока коллектора:
. |
(15) |
а напряжение на коллекторе, представляющее собой выходное напряжение, определяется как
. |
(16) |
Тогда коэффициент усиления по напряжению:
. |
(17) |
Коэффициент усиления усилителя зависит от частоты и амплитуды усиливаемого сигнала, так как с понижением частоты падения напряжения на конденсаторах С1 и С2 под действием входного и выходного токов каскада увеличиваются и представляют собой потери напряжения сигнала. Конденсатор СЭ все меньше шунтирует резистор RЭ, что увеличивает полное сопротивление эмиттерной цепи транзистора и глубину отрицательной обратной связи по переменному току, а, следовательно, уменьшает коэффициент усиления .
Для оценки влияния частоты сигнала на коэффициент усиления напряжения, используют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя (рисунок 12, а).
Рисунок 12 – Амплитудо-частотная (а) и амлитудная (б) характеристики
Полосой пропускания усилителя называют интервал частот П=fв-fн, в пределах которого коэффициент усиления снижается не более чем на 3дБ (до уровня 0,707) по отношению к его значению на средних частотах K0.
Важна также амплитудная характеристика (АХ) усилителя, выражающая зависимость выходного сигнала от входного (рисунок 12, б). Так как участок 0-1 линейный, то коэффициент усиления до напряжения сохраняет постоянное значение. Начиная с точки 1 рост выходного сигнала отстает от входного, так как рабочая точка транзистора под действием входного сигнала выходит за пределы рабочего участка БВ линии нагрузки (рисунок 11, а). При этом нелинейные искажения усиливаются.
Зная параметры транзистора в рабочей точке, можно рассчитать сопротивления резисторов R1 и R2 базового делителя. Ток делителя должен быть в 2 - 5 раз больше тока базы . Такой делитель позволяет выполнить достаточно стабильный при изменении температуры каскад при одновременном выполнении требования экономичности.
На резисторе R2 делителя должно действовать напряжение
. |
(18) |
Откуда сопротивления
, . |
(19) |
Так как, выбранная рабочая точка А находится посередине рабочего участка БВ линии нагрузки, то это позволяет подавать на вход каскада, и снимать с его выхода максимальные сигналы. Часто рабочую точку выбирают ближе к точке В. При этом каскад потребляет от источника EK значительно меньшую мощность и способен усиливать только небольшие по амплитуде сигналы, так как сохраняется требование о недопустимости смещения рабочей точки за пределы рабочего участка линии нагрузки. Обычно так выполняются предварительные расчеты усилительного каскада.