МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

___________________________________________________________

И.А. КАРЕТНИКОВ, А.К. СОЛОВЬЕВ, Н.А. ЧАРЫКОВ

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

И СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Лабораторные работы № 1 – 9

Методическое пособие

по курсу

“Электронные цепи и микросхемотехника”

для студентов, обучающихся по направлению

“Электроника и микроэлектроника”

Издательство мэи

Москва 2006

УДК

621.396

К 227

УДК 621.396.64.049.77 (076.5)

Утверждено учебным управлением МЭИ

Подготовлено на кафедре полупроводниковой электроники МЭИ

Рецензенты: докт. техн. наук, профессор А.П. Лысенко,

канд. техн. наук, доцент Е.Е. Чаплыгин.

Каретников И.А., Соловьев А.К., Чарыков Н.А.

Усилительные устройства и стабилизаторы напряжения. Лабораторные работы № 1 – 9: Методическое пособие по курсу “Электронные цепи и микросхемотехника” для студентов, обучающихся по направлению “Электроника и микроэлектроника” / Под ред. И.А. Каретникова – М.: Издательство МЭИ, 2006. – 72 с.

Рассмотрено построение основных каскадов электронных схем на биполярных транзисторах, способы обеспечения их режима по постоянному току. Изложены способы оценки как малосигнальных параметров, так и параметров для большого сигнала. Изучаются дифференциальные каскады и организация операционного усилителя. Рассматривается использование обратных связей для создания как активных фильтров, так и широкополосных устройств, в том числе современных стабилизаторов постоянного напряжения.

Пособие предназначено для подготовки бакалавров и дипломирован-ных инженеров по электронике.

Продолжительность лабораторных занятий – 4 часа.

ã Московский энергетический институт, 2006 г.

Лабораторная работа № 1 изучение одиночных усилительных каскадов переменного тока на средних частотах

Цель работы — приобретение навыков по исследованию коэффициента передачи по напряжению, входного и выходного сопротивления, амплитудной характеристики одиночных усилительных каскадов с различным включением транзисторов на средних частотах, проведение теоретических расчетов и сравнение их с экспериментально полученными данными.

Краткое описание усилительных каскадов

Усилительный каскад содержит: источник питания, транзистор(ы) и ряд элементов – (как правило) резисторы, обеспечивающих режим работы транзистора в активной области характеристик и стабилизацию его рабочей точки – тока покоя транзистора. Для подведения сигнала на вход каскада и съема сигнала с выхода используются различные элементы связи, в частности, в данной работе – конденсаторы.

Простейшие схемы усилительных каскадов представлены на рис. 1.1, а, б, в. Для определения основных параметров усилителя (входного r_ВХ и выходного r_ВЫХ сопротивлений, коэффициента передачи по напряжению K_U) необходимо воспользоваться малосигнальными эквивалентными схемами замещения каскадов. При построении этих схем все источники постоянных ЭДС закорачиваются. Транзистор представляется своей схемой замещения, которая с большей или меньшей детальностью (в зависимости от выдвигаемых требований) учитывает его свойства. Конденсаторы связи C₁ и С₂, а также блокирующий конденсатор С₃ на средних и высоких частотах хорошо пропускают сигнал, и их сопротивление принимается равным нулю. Емкость нагрузки С_Н достаточно мала и не шунтирует нагрузку. Эквивалентные малосигнальные схемы замещения каскадов с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК), приведены на рис. 1.1, г, д, е. Они действительны для средних частот. В эквивалентных схемах рис. 1.1, г, д, е, транзистор со стороны коллектора считается источником тока.

Проанализируем каскад с общей базой (рис. 1.1, а). Для входной цепи транзистора (рис. 1.1, г) можно написать u_ВХ=i_Эr_Э+i_Бr_Б. Откуда следует, что входное сопротивление относительно точек 1-1

r_ВХ = u _ВХ/ i_Э = r_Э+r_Б(1–α) = h_11Б. (1.1)

Это выражение определяет входное сопротивление тран­зистора. Входное сопротивление усилителя составит r _{ВХ Б} = h_11Б ||R_Э.

Коэффициент передачи напряжения определяется соотношением

K_U = u_ВЫХ /u_ВХ = i_КR_Н'/i_Э r _ВХ = aR_Н'/h_11Б (1.2)

поскольку r_Э=j_т/I_Э⁰, то входное сопротивление каскада и его коэффициент усиления по напряжению зависят от режима работы по постоянному току. Поэтому для расчета этих параметров на практике необходимо знать рабочий ток каскада I_К⁰, I_Э⁰. Если I_Э⁰<1мА, то в первом приближении можно считать, что h_11Б = r_Э. Как правило r_Э<<R_Э, и в этом случае оценочно можно принять, что r_{ВХ Б} @ r_Э, а К_U @ aR_Н'! r_Э.

Если на входе каскада включен источник сигнала e_Г с конечным внутренним сопротивлением R_Г, то

К_U' = u_ВЫХ/e_Г = (u_ВЫХ/u_ВХ ) ( r _{ВХ Б} /(R_Г + r _{ВХ Б} )). (1.3)

Если R_Г, R_Э>>h_11Б, то K_U @ aR_Н'/R_Г, что существенно меньше величины, получаемой из выражения (1.2). Таким образом, для обеспечения высокого К_U' в схеме ОБ необходимо, чтобы источник сигнала имел малое внутреннее сопротивление R_Г.

Вновь вернемся к рис. 1.1 и рассмотрим схему каскада с общим эмиттером (рис. 1.1, б). Эквивалентная схема замещения каскада для средних частот представлена на рис. 1.1, д. Входное сопротивление транзистора (относительно точек 1 – 1)

r_ВХ = u_ВХ / i_Б = (i_Бr_Б+i_Эr_Э) / i_Б = r_Б + r_Э(b +1) = h_11Э, (1.4)

а входное сопротивление всего каскада r_ВХЭ = h_11Э||R_Б.

Коэффициент передачи напряжения

K_U = u_ВЫХ / u_ВХ = – i_КR_Н / i_Бh_11Э = – bR_Н' / h_{11 Э} = – a R_Н' / h_{11 Б}. (1.5)

Знак “–“ обозначает, что каскад ОЭ поворачивает фазу сигнала на 180⁰. Как видим, и в этом случае параметры К_U и r_ВХЭ в значительной степени зависят от режима работы каскада по постоянному току I_Э⁰. В случае, если на вход усилительного каскада включен источник сигнала с внутренним сопротивлением R_Г, то

К_U = u_ВЫХ / e_Г = (u_ВЫХ / u_ВХ) (r _{ВХ Э} / (R _Г+ r _{ВХ Э})) (1.6)

уменьшается, по сравнению с (1.7), однако не столь сильно, как для каскада ОБ.

Выходное сопротивление транзистора (r_ВЫХ) зависит от величины сопротивлений в цепях базы и эмиттера. При этом схема включения транзистора ОБ или ОЭ не влияет на величину r_ВЫХ.

Для определения r_ВЫХ воспользуемся эквивалентной схемой рис. 1.2. Сопротивления R_Э и R_Б здесь выражают суммарные (внутренние и внешние) сопротивления цепей базы и эмиттера. К коллектору транзистора приложим переменное напряжение е_Г'. В соответствии с приведенной схемой, если принять, что R_Э||R_Б<< r_К, следует

i_ВЫХ' = i_Э+e_Г'/(r_К+R_Э||R_Б) = ai_Э+e_Г'/r_К,

Рис.1.1. Транзисторные усилительные каскады: а – с общей базой; б – с общим эмиттером; в – с общим коллектором;

г, д, е – их эквивалентные схемы замещения для средних частот

а

Рис. 1.2. Эквивалентная схема замещения каскадов общий эмиттер и общая база для расчета выходного сопротивления

токi_Э= i_ВЫХ' R_Б/(R_Б+R_Э). Исключая из этих двух соотношений ток i_Э, получим

r_ВЫХ = е_Г'/i_ВЫХ = r_К(1 – a (R_Б /(R_Э + R_Б)). (1.7)

Очевидно, при R_Б>>R_Э значение r_ВЫХ = r_К(1 – a), а при условии R_Б<<R_Э величина r_ВЫХ @ r_К.

Выходное сопротивление транзистора в схеме ОБ в соответствии с выражением (1.7) равно

r_ВЫХ = r_К(1 – a r_Б / (г_Э+R_Э||R_Г)) = r_К. (1.8)

Выходное сопротивление всего каскада r_{ВЫХ Б} = r_ВЫХ||R_К. Как правило R_К<<r_ВЫХ, при этом можно считать, что r_{ВЫХ Б} @ R_К.