Задания для студентов второго курса по исследованию транзисторного усилителя

1. Нарисовать схему. Записать параметры усилителя.

2. Рассчитать R_Kпо номограмме.

3. Взять С₂>>C_Н иR₁. = 47 кОм, С₁= С₁= 10 мкФ. Конденсатор С₁– полярный. Его плюс нужно припаивать к базе. Не забудьте скопировать цоколёвку транзистора.

4. Собрать усилитель. Помните, что нужны два источника питания. Их минусовые клеммы нужно соединить вместе.

5. Установить напряжение питания Е = +10 В иU₁от 0 до +10 В.

6. Регулируя ток базы изменением U₁установитьU_{КЭ НАЧАЛЬНОЕ}= +5 В.

7. Измерить U₁и напряжение на базеU_БЭ. Вычислить ток базыI _Б= (U₁–U_БЭ)/ R₁. Не меняя тока базы изменять напряжение Е . Вычислять ток коллектораI _К= (Е –U_КЭ)/ R_Kдля каждой пары Е –U_КЭ. Построить зависимость тока коллектораI _Кот напряжения на коллектореU_КЭдля данного тока базыI _Б.

8. Затем повторить пункты 6), 7) и 8), но с напряжением сначала U_{КЭ НАЧАЛЬНОЕ}= 4 В, потом 6 В и построить ещё две зависимости. Провести нагрузочную прямую. Выбрать рабочую точку. Например, с напряжением на коллектореU_КЭ= +5 В.

9. Подключить к выходу осциллограф. Осциллограф необходим для контроля формы выходного сигнала.

10. Измерить амплитудную характеристику, т.е. зависимость выходного напряжения от входного, начиная с сильно искажённого выходного сигнала на той частоте, на которой К_УСмаксимален. Проверить линейность начального участка характеристики простейшим способом – при уменьшении входного сигнала вдвое выходной сигнал должен уменьшаться тоже вдвое.

11. Измерить коэффициент усиления К_УС=U_ВЫХ/U_ВХна линейном участке.

12. Измерить частотную характеристику при небольшом входном напряжении – таком, что выходной сигнал был бы неискажённым. ЧХ удобно измерять так: установить навыходеусилителя переменное напряжение 100 мВ (или 1 В) на частоте, где коэффициент усиления максимален. Затем, меняя частоту, измерять выходное напряжение и делить его на 100 (или не делить вовсе). Получится зависимость нормированного на максимум коэффициента усиления К_НОРМ= К_УС/ К_МАКСот частоты. Немедленно начертить ЧХ в логарифмическом масштабе! Не знаете как – спросите у преподавателя.

13. Измерить входное сопротивление усилителя, пользуясь указанной схемой. Подумать, на какой частоте производить измерение! Плавно увеличивать сопротивление R_Xот нуля до тех пор, пока выходное напряжение не уменьшится вдвое. При этомR_Xравно входному сопротивлению усилителя. Измерить сопротивлениеR_Xтестером.

14. Зная входное сопротивление рассчитать граничную частоту входной дифференцирующей цепочки. Сравнить с экспериментом.

15. По измеренным Вами характеристикам транзистора рассчитать коэффициент усиления. K_УС =U_ВЫХ/(ΔI_БАЗЫ ·R_ВХ). Сравнить с экспериментальным значением.

16. Показать преподавателю полученные зависимости, после чего разобрать усилитель и сдать детали.

Анализ работы виртуального усилителя с общим эмиттером

Для иллюстрации Вашей работы с реальным усилителем воспользуемся программой TINAдля виртуального усилителя с общим эмиттером (рис. 10). Заметьте, чтоэмиттерподсоединён кобщемуили «земляному» проводу цепи. Зададим постоянное напряжение питанияV1 = 10 В и установим напряжение на коллекторе транзистора 2N3904, равное половине напряжения питания. Это напряжение мы установим подбором сопротивленияR2= 370 кОм. Другая половина напряжения питания будет приложена к сопротивлению нагрузкиR1= 1 кОм. Усилитель нагружен на ёмкость конденсатораС2= 1000 пФ.

На усилитель подано напряжение от генератора VG1. Форму, частоту и амплитуду входного напряжения можно менять. Токи и напряжения измеряют приборыAM1, AM2 иVM4.

Рис. 10А.

Схема усилителя на биполярном транзисторе.

(Сравните с рис. 6).

Рис. 10Б.

На этой же схеме включены измерительные приборы постоянного тока. Ток базы около 25 мкА, коллекторный ток около 5 мА. Значит статический коэффициент усиления тока около 200.

Среди имеющихся в нашем распоряжении приборов есть анализатор сигналов, который позволяет подать на вход усилителя синусоидальное напряжение небольшой амплитуды и менять его частоту. Получившийся график зависимости коэффициента усиления от частоты представлен на рис. 10. Он называется частотной характеристикой (ЧХ). Коэффициент усиления по напряжению в широком диапазоне частот постоянен. K≈ 100.

Рис. 11.

Частотная характеристика усилителя (ЧХ).

Для того, чтобы определить входное сопротивление усилителя, подадим на вход синусоидальное напряжение с амплитудой 1 мВ и с частотой 2000 Гц. На схеме рис. 12А сопротивление в цепи базы R4= 2 Ома, и оно много меньше входного сопротивления.

Рис. 12.

Измерение входного сопротивления усилителя.

На схеме рис 12Б сопротивление R4 подобрано таким образом, чтобы выходное напряжение уменьшилось вдвое. Это значит, что половина входного напряжения падает на этом сопротивлении, а другая половина – на входном сопротивлении усилителя. Значит, входное сопротивлениеR_ВХ = 2 кОм.

Если увеличивать входное напряжение и следить за выходным напряжением при помощи виртуального осциллографа, то можно добиться сильного искажения выходного напряжения. Одна из таких осциллограмм показана рис. 13.

Рис. 13.

Осциллограмма напряжения на выходе усилителя.

На вход подано синусоидальное напряжение с частотой 2 кГц и с амплитудой 100 мВ.

Размах напряжения от минимума до максимума равен напряжению питания.

Форма сигнала сильно отличается от синусоидальной. Если подать этот сигнал на анализатор спектра, то можно определить амплитуды гармоник в его спектре. На рис. 14 представлен образец такого спектра.

Рис. 14.

Работа анализатора спектра периодического сигнала.

Если нажать на правую кнопку под надписью Data, то можно получить более подробную запись спектра. Такая запись приведена на рис. 15 слева. Первая гармоника имеет частоту 2 кГц, вторая – 4 кГц и т.д.

На правой части этого рисунка приведена запись спектра выходного сигнала этого усилителя, работающего в линейном режиме. При этом амплитуда входного сигнала равна 2 мВ. Видно, что в линейном режиме никаких заметных гармоник нет.

Рис. 15.

Спектры выходного сигнала в разных режимах работы усилителя.

Рис. 16.

Если измерить величину четырёх гармоник на левом спектре рис. 15 и сложить четыре косинуса с такими амплитудами и соответствующими частотами, то получится такой график. Здесь он наложен на осциллограмму рис. 13.