Описание лабораторной установки

Лицевая панель лабораторного стенда, включающая его упрощенную схему и необходимые вспомогательные элементы, представлена на рис. 4. Любая из исследуемых схем транзисторных усилителей может быть построена подключением к выводам транзистора соответствующих пассивных элементов с помощью переключателей–. Лабораторный стенд помимо исследуемого устройства вклю­чает в себя генератор входного сигнала и мультиметр, позволяющий измерять напряжения в контрольных точках каждого из исследуемых усилителей.

Рис. 4. Схема лабораторного стенда

Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и ее значение. Генератор входного сигнала может формировать синусоидальный и треугольный сигналы и периодическую последовательность прямоугольных и пилообразных импульсов. Частота сигнала может дискретно изменяться с помощью соответствующих кнопок, расположенных на лицевой панели лабораторного стенда. Амплитуда сигнала дискретно регулируется с помощью соответствующего аттенюатора. В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам. При этом с помощью соответствующих кнопок управления каждый канал осциллографа может независимо подключаться к любой контрольной точке.

Управление переключателями – также осуществляется с помощью кнопок управления, расположенных в нижней части лицевой панели стенда, путем однократного нажатия на кнопку и удержания ее в течение 0,5 с. Текущее положение любого переключателя индицируется зажиганием соответствующего свето-диода.

Необходимо отметить, что с целью обеспечения возможности наблюдения влияния инерционных свойств транзистора на соответствующие характеристики различных усилительных каскадов при сравнительно низких частотах входного сигнала межэлектродные емкости транзистора увеличены в 1000 раз по сравнению с их реальными значениями.

Подключение измерительных приборов для проведения необходимых исследований: двухлучевого осциллографа, осциллографа, вольтметров, фазометра и персональной ЭВМ к лабораторному стенду осуществляется с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда.

Лабораторная работа №1 каскад с общим эмиттером

Цели работы: изучение основных характеристик каскада, приобретение практических навыков построения схем усилительных каскадов, изучение основных факторов, влияющих на ход амплитудно-частотной характеристики каскада, знакомство со схемами частотной коррекции, исследование искажений импульсного сигнала.

Приборы:лабораторный стенд, вольтметр переменного тока, фазометр, осциллограф.

Краткая теория

Одна из возможных схем каскада с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. 5. Ток смещения коллекторной и базовой цепи обеспечиается общим источником питания и резисторамии.

Рис. 5. Простейший усилительный каскад ОЭ

Семейство входных характеристик p-n-p-транзистора, включенного по схеме с ОЭ, приведено на рис. 6. Эти характеристики для разныхрасположены близко друг к другу, что говорит о слабом влиянии выходной цепи на входную (малая величина).

Рис. 6. Входные характеристики p-n-p-транзистора по схеме с ОЭ

Выберем из семейства кривую с В.

Рабочая точка А на входной характеристике (рис. 7) получается в результате пересечения входной вольт-амперной характеристики Т и нагрузочной прямой базовой цепи: источник питания – – база – эмиттер – земля – источник питания. Для этого контура по Кирхгофу:.

Из геометрических построений следует, что. Подадим на вход гармонический сигнал. Если сопротивление источника синала, то ось времени функцииперпендикулярна осии проходит через рабочую точку,. Если же, то сигнал от генератора накладывается на значенев точке В. При этом, одна их сторон углапроходит через точку А,. Обратите внимание на соответствие сигналов,и.

Рис. 7.

На рис. 8 дано семейство выходных характеристик Т, включенного по схеме с ОЭ. Точка покоя коллекторной цепи А определяется пересечением линии нагрузки для постоянного тока с той характеристикой, параметром которой является ток. Перемещение рабочей точки при изменении тока базы под действием сигнала происходит по линии нагрузки коллекторной цепи для переменного тока.

Рис. 8. Выходные характеристики транзистора по схеме с ОЭ

Для каскада, показанного на рис. 5, сопротивлением нагрузки для постоянного тока является сопротивление , а для переменного тока – сопротивление, равное:

.

Там же на рис. 8 приведено построение, показывающее перемещение рабочей точки коллекторной цепи при подаче синусоидального входного сигнала. Предельные значения выходных гармонических напряжения и тока определяются по динамической нагрузочной прямой и ограничены режимами отсечки и насыщения транзистора. Наибольшее выходное напряжение достигается тогда, когда точка покоя расположена примерно посередине линии нагрузки для переменного тока.

На рис. 9 показан каскад с ОЭ, где расположение точки покоя определяется источником напряжения и резисторами,,и. Здесь, благодаря резистору вводится обратная связь по постоянному току, что увеличивает стабильность работы каскада при изменении окружающей температуры. Чем больше, тем глубже обратная связь и выше температурная стабильность схемы. При этом напряжение на базе (возникающее при изменении токов из-за изменения внешней температуры) должно быть минимальным. Это может быть достигнуто только при малыхи, но при этом вход каскада будет шунтирован для переменного тока сопротивлением:.

Рис. 9. Каскад ОЭ с эмиттерной стабилизацией и делителем цепи базы

На резисторе падает напряжение, а мощность, расходуемая в нем от источника, равна, что при глубокой обратной связи (большом) может составить значительную часть от общей мощности, потребляемой каскадом. Конденсаторвключается параллельно, чтобы исключить отрицательную обратную связь по переменному току, которая уменьшает усиление каскада. Для полного исключения обратной связи по переменному току величина емкости конденсаторадолжна быть такой, чтобы постоянная времени разряда была много больше, чем период входного сигнала.

На рис. 10 приведена схема каскада с ОЭ для переменного тока. Транзистор представлен эквивалентной схемой в -параметрах.

Если считать, что , а, то основные параметры каскада будут:

;

С учетом базового делителя :.

При введении в каскад обратной связи по переменному току в формулы основных величин каскада необходимо вместо подставить, где– сопротивление в эмиттерной цепи, незашунтированное конденсатором.

Эквивалентная схема такого каскада приведена на рис. 10, б. Введение обратной связи увеличивает входное сопротивление каскада и уменьшает коэффициент усиления по напряжению.

а)

б)

Рис. 10. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ в h-параметрах (а) и в физических параметрах (б)

Коэффициент усиления каскада по мощности определяется отношением мощности переменного тока в нагрузке к мощности переменного тока на входе, или так:.

Для области низших частот:

,

где ;;.

Для области высших частот: , где;;;;.

Здесь – эквивалентная постоянная времени в области высших частот,– эквивалентный коэффициент передачи тока базы,– коэффициент токораспределения коллектора,– постоянная времени коэффициента передачи тока базы,– постоянная времени коллекторной цепи.