Лабораторная работа №5

Тема: Исследование режимов работы усилителей на транзисторах по постоянному и переменному токам

Цель: Научить измерять режимы работы усилительных каскадов и производить оценку их влияния на параметры сигналов и коэффициенты усиления.

Оборудование: ПЭВМ, программа Electronics Workbench 5.12.

1 Краткие теоретические сведения

Устройство, предназначенное для увеличения мощности входных электри­ческих колебаний с сохранением их формы и частоты за счет использования энергии внешнего источника питания, называется электронным усилителем (усилителем). Минимальную часть усилителя, способную повышать мощность электрических колебаний, принято называть усилительным каскадом. Усили­тель может состоять из нескольких последовательно соединенных усилитель­ных каскадов, расположенных на одном полупроводниковом кристалле.

Структурная схема усилительного каскада (рисунок 1) содержит усилительный элемент, к входным зажимам которого подключен источник вход­ного сигнала Е_г с внутренним сопротивлением R_г, а к выходным – нагрузка (как правило, активная) R_н.

Рисунок 1 – Структурная схема усилительного каскада

Источником входного сигнала усилителя может быть предыдущий каскад, а нагрузкой – последующий каскад.

Усилительный каскад ОЭ. Полупроводниковая техника на дискретных (отдельных) компонентах содержит ряд вариантов выполнения усилительного каскада на транзисторе с ОЭ (усилительного каскада ОЭ). Принцип действия усилительных каскадов ОЭ рассмотрим на примере наи­более распространенной схемы рисунок 2. На входе каскада действуют уси­ливаемые переменные ток i_вх и напряжение u_вх, а на выходе – усиленные переменные ток i_н и напряжение u_вых (здесь и далее аргумент t у функций токов и напряжений для упрощения опущен).

В этой схеме усилительного каскада конденсаторы С₁ и С₂ – разделительные. Конденсатор С₁ препятствует протеканию постоянного тока от ис­точника питания Е_к в цепь источника входного сигнала. Конденсатор С₂ обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей, поступающей на резистор нагрузки R_н. Резисторы базового делителя напряжения R₁, R₂ задают режим покоя транзистора, при котором в нем протекают только постоянные токи покоя базы I_бп, коллектора I_кп и эмиттера I_эп, а на его базе, коллекторе и эмиттере соответственно действуют постоян­ные напряжения покоя U_бп и U_эп.

Рисунок 2 – Схема усилительного каскада ОЭ

Резистор R_э и делитель R₁, R₂ составляют цепь отрицательной обрат­ной связи (ООС), предназначенную для стабилизации режима покоя транзи­стора при изменении его температуры (для термостабилизации). Под об­ратной связью (ОС) понимают процесс передачи части выходного сигнала на вход усилительного каскада (теория обратной связи будет рассмотрена в следующих разделах).

Действие обратной связи объясняется следующим образом. При увеличении, например, из-за роста температуры тока коллектора покоя I_кп возрас­тают ток эмиттера покоя I_эп и падение напряжения на резисторе R_э, посколь­ку U_эп = I_эпR_э. Так как напряжение между базой и землей (база-земля) U_бп – фиксировано базовым делителем R₁, R₂, и U_бп = U_бэп + U_эп, то с увеличением напряжения U_эп уменьшается напряжение U_бэп. Это приводит к призакрыванию транзистора, уменьшению тока базы покоя I_бп и, следовательно, сниже­нию тока коллектора покоя I_кп. Тем самым производится компенсация пер­воначального увеличения тока коллектора покоя.

Включение резистора R_э, в цепь эмиттера изменяет работу каскада и при усилении переменного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на рези­сторе R_э падение напряжения u_э = i_эR_э, которое уменьшает усиливаемое на­пряжение, подводимое к базе транзистора, ведь u_бэ = u_вх – u_э. При этом сни­жается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по переменному току. Для ее исключения резистор R_э шунтируют конденсатором С_э достаточно большой емкости. Поскольку сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает падения напряжения на резисторе R_э.

В режиме покоя транзистора расчет параметров каскада по постоянному току (т.е. при отключенном входном сигнале) проводят графоаналитическим методом с использованием статических выходных и входных ВАХ транзи­стора (рисунок 3). Этот метод очень нагляден и удобен при нахождении связи параметров режима покоя каскада (U_кп и I_кп) с амплитудными значениями его переменных составляющих – выходного напряжения U_выхm и коллек­торного тока I_кm.

П

(1)

ри расчетах каскада ОЭ на выходных характеристиках транзистора (рисунок 3, а) проводят линию нагрузки по постоянному току (линия 1-2), положение которой определяется вторым законом Кирхгофа для коллектор­ной цепи каскада:

Е_к = U_кп + I_кп (R_к + R_э).

Данную линию можно провести из точки Е_к под углом  = arcctg(R_к + R_э) (рисунок 3, а), на практике же ее строят по двум точкам, характеризующим режимы холостого хода (точка 1) и короткого замыкания (точка 2) в коллекторной цепи транзистора. Для точки 1: ток и напряжение холостого хода I_кх = 0, U_кх = Е_к; для точки 2: напряжение и ток короткого замыкания U_кз = 0; I_кз = Е_к/(R_к + R_э).

При расчетах любые значения тока I_кп и напряжения U_кп определяются точками пересечений (рабочими точками) выходных характеристик с лини­ей нагрузки по постоянному току. Одна из этих точек, полученная для за­данного тока базы покоя I_бп, называется точкой покоя и обозначается бук­вой П (рисунок 3, а). Используя координаты точки покоя П, можно опреде­лить ток коллектора покоя I_кп напряжение коллектора покоя U_кп и падение напряжения на резисторе R_к, равное U_Rк = I_кпR_к. Отметим, что транзистор работает в этом случае в активном режиме.

Д

(2)

ля определения параметров выходного сигнала в динамическом режи­ме усиления (с подключенными входным сигналом и нагрузкой) используют линию нагрузки по переменному току (динамическую линию нагрузки). Если учесть, что сопротивления источника питания Е_к и конденсатора С₂ по переменному току малы, то сопротивление нагрузки по переменному току будет определяться параллельно включенными резисторами R_к и R_н:

R_кн = R_кR_н/( R_к + R_н).

Рисунок 3 – Графический анализ работы каскада ОЭ с помощью

характеристик транзистора: а – выходных; б – входной

Поскольку в режиме усиления входного сигнала токи в напряжения транзистора состоят из суммы постоянных и переменных составляющих, то линия нагрузки по переменному току тоже пройдет через точку покоя П. И поскольку R_кн < R_к, то линия будет находиться под углом _н = arcctgR_кн, большим, чем угол . Для ее построения на оси абсцисс отмечают точку 3, где формально напряжение равно сумме U_кн + I_кпR_кн, и через нее и точку П проводят прямую (штриховая линия 3–4 на рисунке 3, а).

С целью упрощения расчетов принцип действия каскада ОЭ рассмотрим при отключенной нагрузке R_н (режим холостого хода по переменному току). При подаче на вход каскада переменного напряжения u_вх переменный ток базы i_б будет изменяться в соответствии с входной характеристикой (рисунок 3, б). Одновременно с этим и по такому же закону станет менять свои значения переменный ток коллектора. Так, например, при увеличении ам­плитуды входного напряжения возрастет ток базы i_б. Поскольку ток коллек­тора i_к = h₂₁i_б (h₂₁ составляет 50...75), то он тоже возрастет. В результате уве­личивается падение переменного напряжения на резисторе R_к (ведь U_Rк = i_кR_к), а переменное напряжение на коллекторе u_кэ = u_вых = Е_к – i_кR_к уменьшается. При уменьшении же входного напряжения картина меняется на обратную. Из проведенного анализа следует, что каскад ОЭ наряду с усилением мощ­ности изменяет фазу входного сигнала на 180° (рисунок 3).

Точно таким же образом работает схема и при подключении нагрузки R_н, однако переменный коллекторный ток при этом распределяется между резисторами R_к и R_н, что естественно снижает усиление.

При использовании каскада ОЭ для усиления мощности необходимо учитывать параметры предельно допустимых режимов работы транзисто­ра. Таких параметров три и они строятся на выходных характеристиках (рисунок 3, а). Кривая допустимой мощности рассеяния строится по формуле Р_кдоп = U_кэI_к и представляет собой гиперболу, а линии допустимых коллек­торного тока I_кдоп и напряжения коллектор-эмиттер (U_кдоп — прямые, парал­лельные осям координат.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема каскада ОЭ

В целях исключения иска­жений формы выходного сигнала необходимо обеспечить такой режим работы транзистора, что­бы рабочая точка, перемещаясь по линии нагрузки, не выходила за пределы напряжения насыщения (∆U_нас =0,3...0,7 В).

Основные показатели уси­лительного каскада ОЭ обычно рассчитывают с помощью h-naраметров транзистора, исполь­зуя эквивалентную схему каскада ОЭ (рисунок 4), основой которой является схема замещения транзистора (обведена штриховой линией). В упрощенной схеме замещения транзистор формально представляется активным линей­ным четырехполюсником, на входе которого действуют напряжение U_вх и ток I_вх, а на выходе – напряжение U_вых и ток I_н.

Указанные величины представлены действующими значениями, связанными с известными амплитудными формулами: ,

В схеме резистор h₁₁ отражает входное сопротивление, эквивалентный гене­ратор тока h₁₁I_б – усилительные свойства, а сопротивление 1/ h₂₂ – величину, обратную выходной проводимости транзистора. Отметим, что в эквива­лентной схеме не показаны конденсаторы и источник питания, так как их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому резисторы R_к и R_н включены непосредственно между эмиттером и коллектором. Сопротивление R_б = R₁ R₂ показывает наличие базового делителя, резисторы R₁, R₂ которого по переменному току соединены параллельно. Формулы для расче­та сопротивлений R₁ и R₂ нетрудно получить из схемы рисунка 4.

(3)

; .

В

(4)

ходное сопротивление каскада при R_б >>h₁₁:

R_вх = U_вх/I_вх = R_бh₁₁/(R_б + h₁₁)  h₁₁.

Выходное сопротивление с учетом неравенства R_к << 1/ h₂₂

(5)

.

Коэффициент усиления по напряжению:

(6)

.

К

(7)

оэффициент усиления по току:

K_I = I_н/I_вх  I_к/I_б  h_21.