Исследование усилителя низкой частоты

Целью работы является исследование характеристик усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Основные положения. Усилителем называется устройство, пред-назначенное для увеличения интенсивности сигналов без искажения их формы. По роду усиливаемых сигналов различают усилители гармонических сигналов, усилители импульсных сигналов и усилители постоянного тока. В свою очередь, усилители гармонических сигналов делятся на усилители низкой частоты (УНЧ) и усилители высокой частоты (УВЧ). УНЧ пред-назначены для усиления сигналов с частотами от нескольких десятков герц до сотен килогерц. УВЧ служат для усиления колебаний высоких частот – порядка сотен килогерц и выше. Полоса усиливаемых частот в УВЧ обычно мала, поэтому в качестве нагрузки таких усилителей используют резонансные системы; отсюда их название – резонансные усилители.

В данной лабораторной работе исследуется УНЧ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Схема усилителя приведена на рис. 2.1.

К базе транзистора приложено постоянное положительное напряжение, определяемое значением напряжения источника питания Е и соотношением сопротивлений R_б1 и R_б2 (R_б1 и R_б2 называют базовым делителем), поэтому f_б всегда превышает f_э и переход эмиттер – база открыт.

Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного положительного напряжения U_вx= = E(R_б2/(R_б1 + R_б2)) поступает также переменный сигнал U_вx≈ (для простоты примем, что U_вx≈ – гармонический сигнал), то в моменты, когда U_вx≈ имеет положительную полярность, p–n-переход открывается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда U_вx≈ имеет отрицательную полярность (но сохраняется U_вx= + U_вx≈ >0), переход частично закрывается и ток уменьшается. Ток через p–n-переход эмиттер – база называют током эмиттера (I_э). Внутри транзистора он разделяется на небольшой ток базы I_б << I_эи ток коллектора I_к ≈ I_э. В свою очередь, ток коллектора (I_к) течет через коллекторное сопротивление (R_к) и создает на нем напряжение DU_R = I_кR_к. Отсюда очевидно, что потенциал коллектора f_к = Е – DU_R = Е – I_кR_к зависит от того, насколько открыт переход эмиттер – база, т. е. от U_вx.

Для аналитического описания зависимости I_к от U_бэчасто используют параметр S = DI_к/DU_бэ, который называется крутизной. Единица измерения крутизны – ампер на вольт [А/В]. Термин «крутизна» связан с очень редко встречающимися в справочниках «сквозными» вольт-амперными характеристиками транзисторов. Итак,

U_выx = f_к – f_э = Е – I_кR_к = Е – S U_бэ R_к = Е – S R_к(U_вx= + U_вx≈) =

= Е – S R_кU_вx= – S R_кU_вx≈.

Два первых слагаемых представляют собой постоянное напряжение U_вых=, а переменный выходной сигнал равен U_выx≈ = – S R_кU_вx≈.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером при подаче переменного сигнала на базу транзистора обеспечивается формирование на коллекторе такого же переменного сигнала, отличающегося от входного амплитудой и знаком. При прохождении сигнала через схему имеет место сдвиг фазы, равный 180°). Коэффициент передачи схемы по напряжению

K_U = | U_выx≈/U_вx≈| = S R_к.

Емкости C_p1 и С_p2 представляют собой элементарные фильтры высоких частот, обеспечивающие развязку последовательно соединенных схем по постоянному сигналу. Назначение резистора R_э – обеспечивать термостабилизацию параметров схемы. К сожалению, наличие R_э негативно влияет на коэффициент усиления схемы, поэтому на рабочих частотах сигнала его шунтируют, применив для этой цели блокировочный конденсатор С_э.

На характеристики УНЧ оказывает влияние также паразитная емкость С_пар: ее обычно учитывают как подключенную между коллектором транзистора и землей.

Амплитудная характеристика схемы с общим эмиттером приведена на рис. 3.1, амлитудно-частотная – на рис. 3.2.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3

С помощью перемычек на макете можно устанавливать различные значения коллекторного сопротивления (R3, R4), одной из разделительных (С5, С6) и блокировочной (С2, С3)емкостей; возможно и отключение блокировочной емкости. Емкости С7и С8 имитируют паразитную емкость. Кроме того в схеме можно с помощью резистора R5 и конденсатора С4 создать частотно-зависимую обратную связь. Потенциометр R6 позволяет изменять значение встроенного в макет сопротивления нагрузки.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать амплитудную характеристику усилителя:.

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С2; С7и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения U_вx от 5 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту (f) входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить U_{лин max} – максимальное значение входного сигнала, при котором график амплитудной характеристики не отклоняется от линейной зависимости;

в) повторить измерение при R_к = R4.

3. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С2; С7и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) Повторить измерение при R_к = R4.

4. Исследование влияния емкости разделительного конденсатора на частотные свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С6, С_э = С2; С7и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю граничную частоту (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)].

5. Исследование влияния емкости блокировочного конденсатора на частотные свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С3; С7и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) повторить измерение при отключении как С2, так и С3.

6. Исследование влияния паразитной емкости на амплитудно-частотную характеристику усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С3; С_пар= = С7, R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 кГц…200 кГц. Определить верхнюю граничную частоту f_гр схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) повторить измерение при С_пар= С8.

7. Исследование влияния обратной связи на свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С2; С7и С8 отключить. Подключить обратную связь R5–С4. Потенциометр R6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f_гр) схемы, исходя из условия K(f_гр) ≈ 0,7 [max K(f)].

8. Исследование влияния нагрузки на частотные свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R_к = R3, С_р2 = С5, С_э = С2; С7и С8, а также обратную связь R5–С4 отключить. Потенциометр R6 установить в крайнее левое положение;

б) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения U_вx от 5 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить U_{лин max} – максимальное значение входного сигнала, при котором график АХ не отклоняется от линейного;

в) повторить измерение при крайнем правом положении R6;

г) измерить АЧХ схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях амплитудных и амплитудно-частотных характеристик.

2. Схема макета.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–8 (графики АХ, АЧХ, значения U_{лин max} и f_гр). График АЧХ, измеренной для схемы п. 3,а следует сопоставлять отдельно с графиками АЧХ, снятыми во всех остальных случаях (п. п. 3,в; 4,б; 5,б; 6,б; 7,б; 8,г).

4. Выводы.

Лабораторная работа № 4