МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ. В зависимости от назначения различают усилители постоянного тока для усиления постоянных или медленно изменяющихся во времени сигналов и усилители с

В зависимости от назначения различают усилители постоянного тока для усиления постоянных или медленно изменяющихся во времени сигналов и усилители с емкостными связями для усиления быстро изменяющихся во времени сигналов.

Различные усилительные устройства применяются для преимущественного усиления тех или иных параметров сигналов. По этому признаку они делятся на усилители напряжений и усилители мощности.

Для усиления сигналов используются свойства как биполярных, так и полевых транзисторов, при помощи которых можно создавать однокаскадные и многокаскадные усилительные устройства. В данной работе рассматриваются усилители на биполярных транзисторах.

Для усиления сигналов применяются три схемы включения биполярных транзисторов в активном режиме работы: с общей базой (ОБ) (рис. 14.1, а) с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 14.1, б) с общим коллектором (ОК) (рис. 14.1, в). Название схемы включения транзистора совпадает с названием вывода, общего для входной и выходной цепей. Практически наиболее часто применяются усилители, в которых транзистор включается по схеме с общим эмиттером (рис. 14.1, б).

Рассмотрим основные процессы в транзисторе, включенном по схеме с ОЭ. Для этого сравним их с уже рассмотренными процессами в транзисторе, включенном по схеме с ОБ. В обоих случаях напряжение U_бэ=—U_эб <0 используется в качестве сигнала управления током коллектора, который мало зависит от напряжения U_кб < 0. По второму закону Кирхгофа U_кб = U_кэ — U_бэ. Поэтому ток коллектора мало зависит также и от напряжения U_кэ, если
U_кэ ≤ U_бэ. Это условие всегда выполняется в усилителях. Следовательно, зависимости I_к=f(I_э)_Uкб=const (рис. 14.1, б) в транзисторе, включенном по схеме с ОБ, и зависимости I_к=f(I_э)_Uкэ=constв транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, практически совпадают, т. е. статический режим транзистора в обоих случаях одинаковый.

Рис. 14.1. Схемы подключения однокаскадных усилителей

На коллекторных характеристиках можно отметить два участка. При увеличении напряжения (-U_кэ)от нулевого значения ток коллектора сначала быстро увеличивается, а затем остается практически постоянным. При отсутствии сигнала управления U_бэ = 0, т. е. коротком замыкании между выводами базы и эмиттера, токи коллектора и базы практически одинаковы(I_к≈-I_б) и равны обратному току через переход коллектор - база. Этот ток при номинальном напряжении U_{кэ ном} обозначается I_к0 и служит параметром транзистора. С помощью семейства коллекторных характеристик, точнее, участков характеристик, практически параллельных оси абсцисс, легко определить дифференциальный коэффициент передачи тока базы как отношение β = ∆I_к / ∆I_б при U_кэ = const, который используется при расчете усилителей.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. По конспекту лекций и данным методическим указаниям изучите устройство и принцип действия усилителя.

2. Ознакомьтесь со стендом ЭВЧ для снятия статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Подберите измерительные приборы, изучите инструкцию по технике безопасности в электролабораториях, о порядке безопасной работы с осциллографом OMC-26, универсальным цифровым вольтметром и звуковым генератором ГЗ-102; запишите технические данные всех приборов, используемых в работе, в
табл. 14.1.

Таблица 14.1

Технические характеристики приборов и оборудования

Наименование устройства	Система или тип	Заводской номер	Класс точности	Пределы шкалы	Цена деления

3. Снимите входную статическую характеристику транзистора I_б(U_б) при U_к,э=const;

а) соберите схему (рис. 14.1) и подведите к ней напряжение
U = 12 В от стабилизированного источника постоянного напряжения;

Рис 14.1. Электрическая схема для снятия статических характеристик транзистора

б) потенциометром RP₄ установите на коллекторе транзистора напряжение U_к,э=U_к=0 и в процессе снятия характеристики поддерживайте его неизменным;

в) изменяя потенциометром RP₂ напряжение в цепи базы U_б,э=U_к от нуля, установите ток в цепи базы равным значению, указанному в паспортных данных транзистора. Затем, уменьшая напряжение на базе транзистора, произведите пять измерений тока базы

I_б и соответствующего ему напряжения U_б. По результатам измерений постройте на миллиметровой бумаге график I_б(U_б) при U_к=const.

г) повторите опыт при другом заданном преподавателем напряжении на коллекторе, например, при U_к=-2 В; U_к=-5 В. Данные измерений занесите в табл. 14.2.

Таблица 14.2

Результаты измерений для построения входной характеристики

Uк, В	Значение тока базы Iб, мкА, при напряжении Uб, мВ
-2
-5

4. Снимите выходную статическую характеристику транзистора I_к(U_к) при I_б=const:

а) с помощью потенциометра в цепи базы транзистора RP₂ установите минимальный ток базы (например, I_б=20 мкА);

б) изменяя напряжение коллектора U_к потенциометром RP₄ в цепи коллектора от нулевого значения до 15 В, измерьте ток коллектора I_к при пяти значениях U_к и I_б=const;

в) повторите аналогичные измерения при трех других указанных преподавателем значениях I_б. Данные запищите в
табл. 14.3.

Таблица 14.3

Результаты измерений для построения выходных характеристик

Ток базы , мкА	Значение тока коллектора , мА, при напряжении , В

5. Ознакомьтесь со схемой однокаскадного усилителя напряжения (рис. 14.2) и проведите исследование влияния параметров элементов усилительного каскада, выполненного на транзисторе по схеме с общим эмиттером, на его амплитудно-частотную характеристику K(f).

К исследуемому усилителю необходимо подключить все указанные на схеме приборы.

5.1. Источник входного сигнала – звуковой генератор типа ГЗ –II2/I с усилителем. Перед его включением органы управления должны быть установлены в следующие положения:

- зажим соединить с зануленным зажимом питающей сети;

- ручка регулировки выходного напряжения – в среднее положение;

- тумблер - положение 0.

Рис. 14.2. Панель лабораторного стенда для исследования

однокаскадного усилителя напряжения

Остальные органы управления могут находиться в произвольном положении. При включении в сеть должен загореться световой индикатор, служащий для подсветки визира шкалы плавной установки частоты, а также световой индикатор сети на передней панели усилителя. До начала исследований усилителя необходимо прогреть звуковой индикатор в течение 15 мин.

5.2. Включить по схеме (см.рис. 14.2) цифровые универсальные вольтметры типа В7-38, установив переключатель рода работ в положение , и электронный осциллограф Э0.

Перед включением в сеть осциллограф типа OMC-26 необходимо выполнить следующие операции:

- установить прибор на рабочее место, обеспечив естественную вентиляцию в вертикальном направлении;

- соединить клемму с проводом защитного заземления;

- убедиться в наличии сетевого предохранителя;

- установить органы управления в исходные положения, указан­ные в табл. 14.4;

Таблица 14.4

Исходные положения органов управления осциллографа

Органы управления осциллографа	Обозначение на средней панели прибора	Исходное положение
Кнопка		Не нажата
Резистор		Среднее
Резистор		Среднее
Резистор	ВНУТР, ВНЕШ
Резистор		Среднее
Резистор		Среднее
Кнопка	ЖДУЩ, АВТ	Не нажата
Кнопка	msµs	Не нажата
Переключатель	ВРЕМЯ/ДЕЛ	“2”
Переключатель	V/ДЕЛ	“1”
Кнопка		Не нажата
Кнопка		Не нажата
Резистор	УРОВЕНЬ	Среднее

- подключить вилку сетевого соединительного шнура к розетке питания;

- нажать кнопку .

Через пять минут после включения осциллографа необходимо убедиться в его нормальном функционировании:

- добейтесь органами управления и оптимальной яркости и фокусировки луча развертки, обратный ход луча не должен быть виден;

- сместить ручкой начало развертки в левую часть экрана, а ручкой установите луч в центр экрана.

6. Снимите и постройте амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилительного каскада для диапазона частот 200-200 000 Гц, поддерживая при этом напряжение входного сигнала неизменным и равным =5 мВ. Переключениями на панели установить параметры схемы (см.рис.14.2) усилителя по варианту 1 (табл. 14.5).

Таблица 14.5

Варианты изменяемых параметров усилителя

Номера вариантов	Параметры элементов схемы усилительного каскада
, кОм	, кОм	С,мкФ
	4,3
	2,2
	4,3		0,1
	4,3	8,2

Измерения проводите на частотах: 200, 500, 1000, 2000, 5000,
10 000, 20 000, 50 000, 100 000 и 200 000 ГЦ. При построении амплитудно-частотной характеристики по оси ординат откладывается коэффициент усиления, а по оси абсцисс – частота входного сигнала f в логарифмическом масштабе ( ).

7. Снимите и постройте аналогичные характеристики при других значениях параметров элементов усилителя в соответствии с вариантами 2, 3, 4 (табл.14.5).

При снятии характеристик (пп. 6, 7) следует:

- тумблер на гнезде звукового генератора установить в положение;

- необходимую частоту выходного сигнала подобрать переключателем МНОЖИТЕЛЬ и ручкой ЧАСТОТА;

- проверить балансировку усилителя вертикального отклонения осциллографа, для чего поставить переключатель V/ДЕЛ в положение “1”; поместить ручкой луч в центр шкалы; перевести переключатель V/ДЕЛ в положение “1”. Если луч не в центре экрана, то ручкой БАЛАНС его надо вернуть в центр экрана и повторить настройку несколько раз.

8. Откалибруйте осциллограф. Для этого необходимо установить органы управления в следующие положения:

- переключатель V/ДЕЛ - ;

- переключатель ВРЕМЯ/ДЕЛ - “2”;

- кнопку “msµs” – ms;

- кнопку ЖДУЩ, АВТ – ЖДУЩ;

- кнопку ВНУТР, ВНЕШ – ВНУТР.

Изображение синхронизируйте ручкой УРОВЕНЬ. Калибровка коэффициента считается законченной, если амплитуда импульсов на экране ЭЛТ занимает 5 делений по вертикали.

Проверьте подстройку коэффициента развертки резистором КОРР.РАЗВЕРТ. Коэффициент развертки считается откалиброванным, если в положении “2” переключателя ВРЕМЯ/ДЕЛ период калибрационного сигнала занимает 10 делений шкалы ЭЛТ.

Произведите измерение частоты сигнала, измерив его период по формуле

,

где n – число целых периодов сигнала (в делениях), укладывающихся наиболее близко к 10 делениям шкалы;

- расстояние, которое занимают измеряемые периоды, деление;

- коэффициент развертки на измеряемом диапазоне.

9. Снимите и постройте амплитудную характеристику усилителя, собранного по варианту 1 на частоте =1 кГц, изменяя от нулевого значения до значения, при котором наблюдается заметное искажение формы выходного сигнала. Зарисуйте на кальку с экрана осциллографа, включенного на выход усилителя, осциллограммы выходного напряжения для линейного и нелинейного участков.

10. Проведите обработку результатов опытов:

а) по входным характеристикам, полученным при выполнении опытов п.3 определите h-параметры транзистора ( - входное сопротивление, - коэффициент обратной связи), для чего на кривых постройте характерический треугольник;

б) по выходным характеристикам (п. 4) найдите параметры - коэффициент усиления по току и - выходную проводимость транзистора; характерические треугольники стройте на линейных участках кривых, вычерченных на миллиметровой бумаге;

в) по одной из АЧХ (пп. 6, 7) определите полосу пропускания усилителя ( );

г) по амплитудной характеристике определите коэффициент усиления по напряжению на линейном участке характеристики и сравните его с коэффициентом усиления, полученном по амплитудно-частотной характеристике;

д) по амплитудной характеристике определите динамический диапазон работы усилителя.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите типы транзисторов и укажите схемы их включения.

2. Установите связь между токами эмиттера, коллектора и базы.

3. Приведите семейство входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Как по ним определить коэффициенты усиления?

4. Определите h-параметры транзистора.

5. Начертите типовую схему усилительного каскада с общим эмиттером и поясните назначение основных элементов.

6. Поясните, как влияет изменение сопротивления на коэффициент усиления усилительного каскада с общим эмиттером.

7. Поясните назначение делителя напряжения и цепи в усилительном каскаде с общим эмиттером.

8. Каким образом производится измерение входного и выходного сопротивления усилителя?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Иванов, И. И. Электротехника [Текст]: учеб. для студентов неэлектротехнич. направлений и спец. ВУЗов /
И. И. Иванов, Г. И. Соловьев, В. С. Равдоник.- 2-е изд., перераб. и доп.- СПб.: Лань, 2003.- 496 с.

2. Касаткин, А. С. Электротехника [Текст]: учеб. пособие для ВТУЗов / А. С. Касаткин, М. В. Немцов.- 7 изд., стереот.- М.: Высш. шк., 2003.- 542 с.

3. Электротехника и электроника [Текст]: учеб. пособие для ВУЗов / В. В. Кононенко, В. И. Мишкович, В. В. Муханов и др.; под ред. В. В. Кононенко.- Ростов н/Д.: Феникс, 2004.- 752 с.

4. М.В.Немцов. Электротехника и электроника: Учебник для вузов.- М.: Издательство МЭИ, 2003. - 616с. ил.

5. В.А. Кузовкин. Теоретическая электротехника: Учебник. - М.: Логос, 2002. - 480с.

6. Г.С. Зиновьев. Основы силовой электроники: Учеб. пособие - Изд. 3-е испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004 - 672с.

7. В.А.Прянишников. Электроника: Полный курс лекций. - 4-е изд. - СПб.: КОРОНА принт, 2004. - 416с.

8. С.Г. Герман-Галкин. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. - СПб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002. - 304с.