Тема: Исследование включения транзисторов в схеме с общим эмиттером

Цель работы:

Исследование характеристик и параметров усилительных каскадов на биполярных транзисторах в схеме с общим эмиттером (ОЭ) и отрицательной обратной связью по току (ООС)

Теоретические сведения

1.1.1 Основные характеристики усилителей

Усилитель - это устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала за счет потребления энергии источников питания.

В зависимости от схемы включения биполярного транзистора (БТ), усилители делятся на:

- усилители с общим эмиттером (ОЭ);

- усилители с общим коллектором (ОК);

- усилители с общей базой (ОБ).

Чтобы определить схему включения транзистора, достаточно выяснить на какой его вывод подается входное напряжение U_вх и с какого вывода снимается выходное напряжение U_вых.

Например, если в схеме U_вх подается на базу относительно эмиттера, а U_вых снимается с коллектора тоже относительно эмиттера, то это схема усилителя с общим эмиттером ОЭ.

К основным параметрам усилителей относятся:

1) коэффициент усиления по:

а) напряжению К_u = U_вых./ U_вх;

б) току К_i = I_вых./ I_вх.;

в) мощности К_p = P_вых./ P_вх.= К_u* К_i.

2) входное сопротивление R_вх – это сопротивление между входными зажимами усилителя для переменного входного тока, определяется по формуле (1.1)

R_вх = U_вх./ I_вх (1.1)

3) выходное сопротивление R_вых – это сопротивление между выходными зажимами усилителя для переменного тока при отключенном сопротивлении нагрузки, определяется по формуле (1.2)

R_вых = U_вых./ I_вых., (1.2)

4) коэффициент полезного действия усилителя η – это отношение мощности (Р_вых), поступающей в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания(Р_ист), определяется по формуле (1.3):

η = Р_вых../.Р_ист. (1.3)

К основным характеристикам усилителя относятся:

- амплитудно-частотная (АЧХ);

- фазочастотная (ФЧХ);

- амплитудная (АХ).

В общем случае коэффициент усиления по напряжению и току является величиной комплексной, характеризующейся модулем и фазой, которые зависят от частоты усиливаемого сигнала.

Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов и зависимости свойств транзистора от частоты коэффициент усиления усилителя имеет различные значения на различных частотах.

Это явление называется частотными искажениями усилителя. Для их оценки вводится параметр, называемый коэффициентом частотных искажений М(w), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (К_uo) к коэффициенту усиления на данной частоте (К_u(w)):

Коэффициент частотных искажений определяется по формуле (1.4)

M_(w) = K_uo / K_u(w) (1.4)

Частоты, на которых коэффициент усиления достигает предельно допустимого значения и определяется согласно формуле (1.5), называются верхней w_в.гр. и нижней w_н.гр. граничными частотами (частотами среза), а разность Δw = w_в..гр. - w_н..гр. – полосой пропускания усилителя или диапазоном усиливаемых частот.

K_u(w)гр. = K_uo/Ö2=0,707*K_uo, (1.5)

Амплитудная характеристика усилителя-это зависимость амплитуды выходного сигнала U_вых.m от амплитуды входного сигнала U_вх.m на некоторой постоянной частоте.

Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет прямую линию, проходящую через начало координат, а амплитудная характеристика реального усилителя совпадает с характеристикой идеального усилителя только на некотором участке.

При больших входных сигналах U_вх.m > U_вх.m.max, выходное напряжение усилителя перестает возрастать.

Это связано с тем, что рабочая точка транзистора попадает в область насыщения или отсечки, при этом выходной сигнал искажается.

Это явление называется нелинейными искажениями и оценивается коэффициентом гармоник К_г по формуле (1.6)

К_г = √∑Р_п ∕ Р₁ (1.6)

где Р_n - мощность n-й гармонической составляющей выходного сигнала при n=2, 3, 4, ……, Вт;

Р₁ - мощность первой гармоники, Вт.

Если нагрузка усилителя активная, то коэффициент гармоник

принимает вид согласно формуле (1.7):

Кг = √∑U²_nm ∕ U²_1m = √∑I²_nm ∕ I²_1m (1.7)

где U_nm – амплитуда напряжения n-й гармонической составляющей выходного сигнала, начиная со второй гармоники, В;

U_1m - амплитуда напряжения первoй гармонической составляющей выходного сигнала, В;

I_nm - амплитуда тока n-й гармонической составляющей выходного сигнала, начиная со второй гармоники, А;

I_1m – амплитуда тока первoй гармонической составляющей выходного сигнала, А.

При малых входных сигналах выполняется следующее условие (1.8)

U_{вx. m} < U_{вx. m min} (1.8)

При этом, выходное напряжение усилителя, остается практически постоянным и равным U_выx.m.min. Напряжение U_вx.m.min называется напряжением собственных шумов усилителя.

Собственные шумы усилителя обусловлены различными помехами и наводками, а также непостоянством электрических процессов во времени.

Отношение U_вx.m.max/U_вx.m.min = D называется динамическим диапазоном усилителя.

1.1.2 Усилительный каскад на БТ с ОЭ

Наиболее распространенная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ представлена на рисунке 1.1.

Входное усиливаемое переменное напряжение U_вх подводится к входу усилителя через разделительный конденсатор C_p1.

Конденсатор C_p1 разделяет источник входного сигнала и базовый вход усилителя по постоянному току, чтобы исключить нарушение начального режима работы транзистора VT1.

Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора VT1, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением R_н через разделительный конденсатор С_р2. Этот конденсатор служит для разделения выходной (коллекторной) цепи транзистора и внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока I_кA.

Рисунок 1.1 – Схема усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ

Значение I_кA и других постоянных составляющих токов и напряжений в цепях транзистора зависят от режима работы по постоянному току (положения рабочей точки на нагрузочной прямой).

Положение рабочей точки, т.е. значение начального тока базы I_бА задается делителем RI, R2. При отсутствии входного переменного сигнала в цепи коллектора протекает постоянный ток I_кA, значение которого определяется по формуле (1.9):

U_кэА + I_кA*R_к + I_эA *R_э = U_кэА + I_кA(R_к + R_э) = E_к, (1.9)

где R_к - сопротивление в цепи коллектора, Ом;

R_э - сопротивление в цепи эмиттера, Ом.

Решив это уравнение относительно тока I_кА, получим динамическую характеристику транзистора по постоянному току,которая рассчитывается по формуле (1.10)

I_кA = E_к/(R_к+R_э) - U_кэА/(R_к+R_э). (1.10)

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии, проходящей через точки с координатами: (Е_к, 0);(0, E_к/R_кэ), изображенными на выходных характеристиках транзистора.

Усилительные каскады могут работать в одном из режимов: А, В, С, АВ, определяемых начальным положением рабочей точки при отсутствии входного переменного сигнала.

При работе транзистора в активном (усилительном) режиме (классА) начальное положение рабочей точки должно быть таким, чтобы ток через активный элемент транзистора протекал в течение всего периода изменения входного сигнала, а амплитудное значение выходного тока I_кm не превышало начального тока I_кA.

Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения R1, R2, значения которых определяется соотношениями (1.11), (1.12):

R1 = (E_к – U_бэА - U_rэ)/(I_дел + I_бА), (1.11)

R2 = (U_бэА + U_rэ)/I_дел, (1.12)

где I_дел = (2...5)I_бА - ток в цепи делителя;

U_rэ = (0,1...0,25)Е_к - для каскадов предварительного усиления.

При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки. С этой целью в эмиттерную цепь введен резистор R_э, на котором создается напряжение отрицательной обратной связи ООС по постоянному току U_rэ.

Для устранения ООС по переменному току при наличии входного переменного сигнала резистор R_э шунтируют конденсатором С_э, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным.

Аналитический расчет коэффициентов усиления по току, напряжению и мощности, а также входного и выходного сопротивлений производится по эквивалентным схемам усилительного каскада для различных диапазонов частоты входного сигнала.

Подготовка к работе

1.2.1 Изучить принцип работы схем усилительных каскадов на БТ с ОЭ.

1.2.2 Изучить порядок расчета схем усилительных каскадов БТ с ОЭ и ОК.

1.2.3 Нарисовать схемы исследуемых усилительных каскадов.

1.2.4 Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

План работы

1.3.1 Собрать генератор синусоидальных колебаний согласно
рисунку 1.2.

	Рисунок 1.2 – Схема генератора синусоидальных колебаний

1.3.2 Собрать схему усилителя без шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера, на основе схемы рисунка 1.3. Установить значение сопротивления резистора R23 таким, при котором искажения сигнала на выходе будут наименьшие (по осциллографу).

1.3.3 Подать на вход усилителя от генератора ГС1 синусоидальный сигнал частой f = 1 кГц и амплитудой U_{вх m} = 0,05В. Замерить с помощью осциллографа амплитуду выходного сигнала U_вых.m и зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

Рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению.

1.3.4 Изменяя величину сопротивления R23, по осциллографу определить момент появления в выходном сигнале больших нелинейных искажений и зарисовать осциллограмму этого напряжения.

1.3.5 Включить емкость в цепь эмиттера и выполнить операции п.п. 1.3.3 и 1.3.4.

1.3.6 Установить амплитуду входного сигнала U_{вх m}=0,05В - const. Изменяя частоту входного сигнала F от 0 до 100 кГц (рекомендуемые частоты, Гц: 20 , 50, 200, 500; 1000, 5000, 10000, 15*10³, 20*10³, 25*10³ ,50*10³ , 75*10³ , 90*10³ , 100*10³), снять амплитудно-частотную характеристику усилителя и построить ее в логарифмическом масштабе.

1.3.7 Заполнить таблицу 1.1, в которой поместить результаты измерений и вычислений для построения логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) при условии:.U_вх.m = 0,05В – const; K_u = U_вых..m/ U_вх.m. согласно формуле (1.13)

K_u = f(lgF) (1.13)

Таблица 1.1 – Результаты измерений и вычислений

F, Гц							…	10*105
Uвых.m, В
Ku

1.3.8. Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой f=1кГц. Изменяя амплитуду входного сигнала U_вх.m от 0 до 0,5В согласно таблице 1.2, измерить U_вых.m.

1.3.9.Построить амплитудную характеристику усилителя согласно формуле (1.14)

U_вых.m =f(U_вх._m) (1.14)

1.3.10 Для каждого значения U_вх.m пронаблюдать осциллограмму выходного напряжения. Определить U_вх.m в момент появления существенных нелинейных искажений U_вых и зарисовать осциллограмму.

Таблица 1.2 – Результаты измерений

Uвх.m, мВ
Uвых.m, мВ

1.3.11 Сравнить результаты теоретических расчетов и практических исследований, сформулировать выводы по каждому пункту рабочего задания.

1.4 Контрольные вопросы

1.4.1 Определить по принципиальной схеме усилительного каскада способ включения транзистора.

1.4.2 Объясните назначения отдельных компонентов схемы усилителя с ОЭ.

1.4.3 Когда следует применять усилительные каскады, включенные по схеме с ОЭ?

1.4.4 Назовите способы задания режима работы транзистора в усилительных каскадах?

1.4.5 Объясните влияние температуры на режим работы усилительных каскадов.

1.4.6 Какие вы знаете способы температурной стабилизации режима работы усилительных каскадов?

Лабораторная работа №7