Исследование усилительного каскада на биполярных транзисторах

Цель работы

1 Изучить принципы работы усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ.

2 Исследовать влияние элементов каскада на его АЧХ.

3 Ознакомиться с работой пакетa MicroCap.

5.1 Теоретические сведения

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе с ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Схемотехнику усилительных каскадов с ОЭ рассмотрим на примере схемы рис. 5.1, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Рис. 5.1 Схема усилительного каскада с ОЭ

Основными элементами схемы являются источник питания Е_к, управляемый элемент — транзистор Т и резистор Rн. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы С_р1, С_р2 являются разделительными. Конденсатор С_р1 исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи E_к - R1 – R_г; во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника R_г напряжения на базе U_бэп в режиме покоя. Функция конденсатора С_р2 сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Резисторы R1, R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента создается заданием соответствующей величины тока покоя базы I_бп. Резистор R1 предназначен для создания цепи протекания тока I_бп. Совместно с R2 резистор R1 обеспечивает исходное напряжение на базе U_бэп относительно зажима «+» источника питания.

Резистор R_Э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации работы каскада при изменении температуры. Конденсатор С_Э шунтирует резистор R_Э по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора С_Э привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепей каскада.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе R_к создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор С_р2 передается на выход каскада – в цепь нагрузки.

Усилительный каскад ОЭ осуществляет поворот по фазе на 180° выходного напряжения относительно входного.

5.2 Проведение компьютерного эксперимента

5.2.1 Запустить программу MicroCap.

5.2.2 Составить схему для исследования входных и выходных сигналов, согласно показанной на рис. 5.2.

Рис. 5.2 Схема для исследования усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ

5.2.3 Установить параметры источника входного напряжения (на схеме рис. 5.2.Vin) согласно рис. 5.3.

5.2.4 Запустить анализ переходных процессов в схеме (Transient Analysis). Исследовать фазовые соотношения в схеме.

Выбрать пункт меню «Анализ ® Анализ переходных процессов». Установить параметры анализа: выражение по оси Х – время (Т), выражение по оси Y – входной сигнал (на рис. 5.2 напряжение узла 2: v(2)) и выходной сигнал (на рис. 5.2 напряжение узла 5: v(5)), аналогично указанным на рис. 5.4.

Рис. 5.3 Установки модели источника напряжения

Рис. 5.4 Окно установок анализа переходных процессов

5.2.5 Построить АЧХ усилительного каскада и изучить влияние на нее глубины ОС и фильтрующие свойства выходной цепи

5.2.5.1 Для построения АЧХ усилительного каскада запустить анализ по переменному току (AC Analysis), выбрав пункт меню «Анализ ® Частотный анализ (АС)». Задать установки анализа аналогично представленным на рис. 5.5: диапазон частот: от 1Гц до 10⁹Гц; выражение по оси Х – частота (F), выражение по оси Y – коэффициент передачи по напряжению, K_U=u_вых/u_вх (по схеме на рис. 5.2. v(5)/v(6)), автомасштабирование включено.

Рис. 5.5 Окно установок частотного анализа

5.2.5.2 Для исследования влияния ОС на АЧХ схемы изменить номинал эмиттерного конденсатора Се с 47мкф на 47пф, запустить частотный анализ (аналогично п. 5.2.5.1) и изучить изменение формы АЧХ каскада. Сделать соответствующие выводы.

5.2.5.3 Вернуть номинал эмиттерного конденсатора в первоначальное состояние (47мкф), уменьшить величину номинала входного разделительного конденсатора Ci с 470мкф на 470пф, запустить частотный анализ (аналогично п. 5.2.5.1) и изучить изменение формы АЧХ каскада. Сделать соответствующие выводы.

5.3 Содержание отчета

- название и цель лабораторной работы;

- схема для снятия характеристик усилительного каскада с ОЭ;

- сравнительные эпюры входного и выходного напряжений схемы;

- АЧХ усилительного каскада;

- АЧХ усилительного каскада при измененном номинале Се;

- АЧХ усилительного каскада при измененном номинале Сi;

- краткие выводы по результатам работы.

5.4 Контрольные вопросы

1 В чем отличие каскада с ОЭ от других схем включения биполярного транзистора?

2 Поясните назначение элементов, образующих каскад усиления.

3 Для чего устанавливают ток покоя схемы, что означает термин «смещение»?

4 Какой тип обратной связи характерен для каскада с ОЭ?

5 Есть ли отличия между усилительными каскадами на биполярных транзисторах pnp и npn-типа, и если есть, то в чем они заключаются?

Лабораторная работа 6