Лабораторная работа №4 дослідження схем включення біполярних транзисторів (бт) у підсилюючих каскадах

Цель работы: Исследование усилительных каскадов на БТ

Краткие теоретические сведения

Основні відомості про параметри підсилюючих каскадів

Підсилювач електричних сигналів – це пристрій, призначений для посилення потужності вхідного сигналу за рахунок споживання енергії джерела живлення.

Основні властивості підсилюючого пристрою характеризуються набором технічних показників.

До основних технічних показників підсилювача відносять коефіцієнт підсилення, вхідний і вихідний опори, вихідну потужність, коефіцієнт корисної дії, амплітудну, амплітудно-частотну і фазочастотну характеристики, рівень шумів і коефіцієнт гармонік .

Коефіцієнт підсилення.

Розрізняють коефіцієнти підсилення напруги, току і потужності. Будь-який підсилювач підсилює по потужності, але часто становить інтерес не потужність на виході, а напруга (струм) в нагрузці.

Коефіцієнт підсилення напруги в загальному випадку є комплексним через наявність у схемі підсилювача реактивних елементів:

де K_u = U_вих /U_вх – модуль коефіцієнта підсилення,  = _вих-_вх – кут зсуву фаз між вихідною і вхідною напругою.

Обычно при описі підсилюючого пристрою використовують лише модуль коефіцієнта підсилення К_u.

Коефіцієнт підсилення струму К_i= I_вих /I_вх.

Коефіцієнт підсилення потужності

де Р_вих – вихідна потужність - потужність, що віддається підсилювачем у навантаження; Р_вх – вхідна потужність - потужність, що віддається джерелом вхідного сигналу (в входном сопротивлении підсилювача).

Вхідний опір - опір між вхідними клеммами підсилювача для змінного струму: Rвх=Uвх/Iвх.

Вихідний опір підсилювача визначається співвідношенням:

,

де I_к.з. – струм короткого замикання (R_н=0), U_х.х. – напруга холостого ходу (R_н = ).

Коефіцієнт корисної дії.

Коефіцієнт корисної дії ,

де Р_вих – вихідна потужність підсилювача; Р₀ – потужність, споживана підсилювачем від усіх джерел.

Амплітудна характеристика (АХ) підсилювача

АХ представляється залежністю амплітуди вихідної напруги від амплітуди вхідної напруги на некоторой постоянной частоте.

На рис.4.1 и 4.2 представлени ідеальна і реальна амплітудні характеристики.

Ідеальна АХ проходить через початок координат. Реальна починається з деякого значення U_ш, обумовленого рівнем власних шумів підсилювача. При великих значеннях U_вx відхилення реальної АХ від ідеальної виникає через нелінійність вольт-амперної характеристики підсилюючого елемента.

Рис.4.1.Идеальная амплітудна Рис.4.2.Реальная амплітудна

характеристика підсилювача характеристика підсилювача

Діапазон від U_вхmin до U_вхmax є робочим діапазоном амплітуди посилюваного сигналу. Значення U_вхmin визначається необхідним мінімальним відношенням сигнал/шум. Максимальне значення вхідного сигналу U_вхмах визначають виходячи з припустимих спотворень вихідного сигналу.

Відношення найбільшого припустимого вхідного сигналу до найменшого називають динамічним діапазоном підсилювача

чи

На лінійній ділянці АХ K_U = U_вих/U_вх.

Амплітудно-частотна і фазочастотна характеристики підсилювача

Наявність у підсилювальних пристроях реактивних елементів (індуктивностей, ємностей) є основною причиною залежності коефіцієнта підсилення і фазового здвигу (між вхідним і вихідним сигналами) від частоти.

Частотозалежними являються характеристики активних елементів. На значення коефіцієнта підсилення впливають паразитні ємності монтажу, паразитні зворотні зв’язки і т.п.

Залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти К(f) називають амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ).

На рис. 4.3 представлено типова АЧХ підсилювача звукових частот (значення частот по осі абсцис відкладені в логарифмічному масштабі).

З зміною частоти вхідного гармонійного сигналу може змінюватися не тільки амплітуда вихідного, а й фазовий зсув між вхідною і вихідною напругою. Залежність фазового зсуву від частоти називають фазо-частотною характеристикою (ФЧХ) підсилювача (рис.4.4).

Нелінійні спотворення

Однією з причин зміни форми посилюваного сигналу є наявність у схемі підсилювача нелінійних елементів (активні елементи, дроселі).

Нелінійні спотворення особливо сильно виявляються при великих рівнях вхідного сигналу.

Рис. 4.3. Амплитудно-частотна характеристика підсилювача

Рис. 4.4. Фазочастотна характеристика підсилювача

У вихідному сигналі при нелінійних спотвореннях, крім коливань основної частоти (частоти вхідного сигналу), містяться складові вищих гармонік. Чим вище рівень нелінійних спотворень, тим більше відносна потужність вищих гармонік у вихідному сигналі.

Рівень нелінійних спотворень у підсилювачі при посиленні гармонійних сигналів прийнято оцінювати коефіцієнтом гармонік (коефіцієнтом нелінійних спотворень)

де P₂, P₃,…,P_n-потужності гармонік, що з'явилися в результаті нелінійного посилення; P₁ - потужність першої гармоніки.

Якщо опір навантаження однаков для всіх гармонійних складових вихідного сигналу (наприклад, активний опір R), то можна записати:

, чи ,

де U_i (I_i) - діючі чи амплітудні значення i-ї гармоніки вихідної напруги (струму).

Схеми включення БТ у підсилюючих каскадах

В зависимости от того, какой из электродов БТ является общим для входной и выходной цепей, различают схемы включения с із спільнимим еміттером (СЕ), спільнимим колектором (СК) і спільною базою (СБ).

Підсилюючий каскад при включенні БТ по схеме із спільнимим еміттером (СЕ).

Принципиальная схема каскада с СЕ приведена на рис.4.5. Источник входного сигнала (переменной э.д.с.) Е_И с внутренним сопротивлением R_И подключается к входным зажимам усилителя 1-7. Источником усиленного сигнала является резистор в цепи коллектора R3. Усиленное выходное напряжение снимается с резистора нагрузки R4. При этом выходная мощность усиленного сигнала значительно больше мощности сигнала на входе. Это увеличение мощности происходит за счет потребления энергии источника питания Е_П. Положение рабочей точки на характеристиках БТ определяется делителем R1, R2 напряжения питания Е_П, т.е. начальные значения I_БО, I_KO, U_БЭО, U_КЭО (в режиме покоя, когда Е_И=0) зависят от величин Е_П, R1 и R2.

Рис.4.5. Принципиальная схема каскада с СЕ

Э.д.с. входного сигнала вызывает во входной цепи изменение тока базы БТ (переменная составляющая), который суммируется в цепи базы с постоянной составляющей тока базы I_БО. Благодаря конденсатору С1(разделительный конденсатор) постоянная составляющая тока базы отсутствует в источнике входного сигнала и постоянная составляющая э.д.с. входного сигнала не изменяет величину тока I_БО.

Переменная составляющая тока базы вызывает появление переменной составляющей в коллекторном токе (i_К=β·i_Б) и

напряжении на коллекторе (u_К=i_К·R_К).

Конденсатор С2 пропускает переменную составляющую напряжения на коллекторе на выход каскада и в нагрузке течет ток.

Емкости конденсаторов С1 и С2 должны быть такими, чтобы на нижней частоте (f_Н) усиливаемых напряжений было 1/2·π·f_Н ·С1<<R_ВХ и 1/2·π·f_Н ·С2<<R_Н.

Выходное напряжение этого каскада отличается по фазе от входного напряжения примерно на 180^O.

Підсилюючий каскад при включенні БТ по схеме із спільнимим колектором (СК).

Принципиальная схема каскада с СК приведена на рис.4.6.

В этой схеме напряжение в нагрузку снимается с резистора R3 в цепи эмиттера. Коллектор БТ соединен (является общим) с входной и выходной цепями через источник питания Е_П.

Назначение остальных элементов схемы то же, что и в схеме с СЕ.

Рис.4.6. Принципиальная схема каскада с СК

Отличительные особенности схемы:

• выходное напряжение схемы является частью входного (U_ВЫХ<U_ВХ) ,

• входное сопротивление каскада может быть очень большим,

• фаза выходного напряжения практически совпадает с фазой входного напряжения.

Т.к. обычно величины выходного и входного напряжений совпадают и поэтому каскад с СК часто называют эмиттерным повторителем.

Основное назначение каскада с СК:

-согласование высокоомного источника входного напряжения с низкоомным сопротивлением нагрузки,

-оконечный каскад в усилителе мощности.

Підсилюючий каскад при включенні БТ по схеме із спільною базою (СБ).

Принципиальная схема каскада с СБ приведена на рис.4.7.

Рис.4.7. Принципиальная схема каскада с СБ

В этой схеме напряжение в нагрузку снимается с резистора R3 в цепи коллектора. База БТ соединена (является общей по переменному току или по сигналу) с входной и выходной цепями через конденсатор С. Величина конденсатора С находим из следующего неравенства:

1/2·π·f_Н ·С<<R2.

Резистор R4 – резистор связи. Назначение остальных элементов схемы то же, что и в схеме с СЕ.

Отличительные особенности схемы:

• выходной ток каскада является частью входного (I_K<I_Э),

• входное сопротивление каскада может быть очень маленьким, а выходное сопротивление каскада R_ВЫХ>R_ВХ и может быть очень большим,

• фаза выходного напряжения практически совпадает с фазой входного напряжения.

Основное назначение каскада с СБ:

• усиление высокочастотных сигналов.