Исследование RC–усилителя на биполярных транзисторах

Исследование RC–усилителя на биполярных транзисторах

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

Исследование RC-усилителя на биполярных транзисторах

Цель работы: изучение взаимосвязи между каскадами RC-усилителя, его амплитудных и частотных характеристик.

Краткие теоретические сведения -усилитель используется для усиления переменного напряжения. Эффективное усиление напряжения достигается при включении транзистора по схеме с общим эмиттером, рис.1.

Рис. 1. Схема RC-усилительного каскада собранного по схеме с общим эмиттером.

Для получения необходимого режима работы на базу транзистора относительно эмиттера нужно подать напряжение смещения. Это смещение получают от источника коллекторного питания Ек через делитель напряжения R1R2. Для стабилизации положения рабочей точки транзистора при изменении температуры и при использовании транзисторов с разбросом коэффициента усиления тока h_21Э в данной схеме применена эмиттерная стабилизация. Например, при повышении температуры возрастает коллекторный ток. При этом увеличивается и ток, протекающий в цепи эмиттера, поэтому увеличится падение напряжения на резисторе R_Э. Напряжение база-общая точка схемы остается практически неизменным и равным.

         (1)

Поэтому уменьшается напряжение смещения между базой и эмиттером, что вызывает уменьшение тока базы и возвращение тока покоя коллектора к прежнему значению. Для устранения обратной связи в рабочей полосе частот, снижающей усиление сигнала, параллельно R_Э включают конденсатор С_Э.

Разделительный конденсатор С_РГ предотвращает попадание на базу постоянного напряжения источника сигнала и пропускает переменное напряжение, С_Р пропускает переменное напряжение на нагрузку, защищая её от постоянного напряжения. Усиленный сигнал снимается с резистора R_К, через него также постоянное напряжение подается на коллектор.

Анализ работы усилителя производится с помощью эквивалентных схем на переменном токе, при этом предполагается, что на переменном токе конденсатор С_Ф закорачивает источник питания Е_П, а С_Э резистор R_Э.

Транзистор характеризуется следующими параметрами: h_11Э - входное сопротивление транзистора; h_22Э - выходная проводимость транзистора; h_21Э - коэффициент усиления тока. На полной эквивалентной схеме каскада (рис.2) транзистор заменяется эквивалентным четырёхполюсником: генератором тока I_Г = с выходным сопротивлением R_i =.

Рис. 2. Полная эквивалентная схема RC-усилительного каскада,

где C_ВЫХ - выходная емкость транзистора;

С_М- емкость монтажа;

С_Н - емкость нагрузки (входная ёмкость следующего каскада);

R_Г - сопротивление источника сигнала;

R_Н - сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада).

На средних частотах емкостями можно пренебречь и эквивалентная схема принимает вид, изображенный на рис.3.

Рис. 3. Эквивалентная схема в области средних частот усилительного RC- каскада

Параметры усиленного каскада на средних частотах:

входное сопротивление сигнала

,   (2)

где  - сопротивление делителя.    (3)

Выходное сопротивление усилителя

(4)

Коэффициент усиления напряжения

,      (5)

где ,       (6)

Сквозной коэффициент усиления

К_Е = К_ПВХК_0,             (7)

где К_ПВХ - коэффициент передачи входной цепи

          (8)

На низких частотах эквивалентная схема выходной цепи каскада имеет вид, изображённый на рис.4

Рис. 4. Эквивалентная схема выходной цепи усилителя в области низких частот

Зависимость коэффициента усиления от частоты имеет следующий вид

(9)

На верхних частотах эквивалентная схема принимает вид, рис.5.

Рис. 5. Эквивалентная схема выходной цепи усилителя в области высоких частот, где С ₀ = С_ВЫХ + С_М + С_Н

Коэффициент усиления в области верхних частот, без учёта частотных свойств транзистора

        (10)

Обобщённая амплитудно-частотная характеристика усилителя имеет следующий вид (рис.6).

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика RC-усилителя,

где

 - нижняя граничная частота усилителя,

- верхняя граничная частота усилителя.

Использование в усилителях каскадов с общим коллектором, имеющих большое входное и малое выходное сопротивление, позволяет согласовывать различные транзисторные каскады. Так как данные каскады не изменяют полярности подаваемого на них сигнала, а их коэффициент усиления близок к единице, то их называют повторителями. Схема эмиттерного повторителя приведена на рис.7.

Рис. 7. Схема эмиттерного повторителя

Параметрами эмиттерного повторителя являются:

входное сопротивление усилителя

_вх=R'_вхR_1,2/(R'_вх+R_1,2),     (11)

где R'_вх=h_11э+(1+h_21э); (12)

выходное сопротивление усилителя

1/Z_вых = h_22э +(1+h_21э) / (R_ист+h_11э), (13)

где R_ист = R_ГR_1,2 / (R_г+R_1,2);

Коэффициент передачи напряжения

К = 1- h_11э / R'_вх (14)

Величина К меньше единицы, но, как правило, близка к ней. Малая входная емкость повторителя и низкое выходное сопротивление обеспечивают широкую полосу пропускания данного каскада.

Домашнее задание

. Ознакомьтесь в лаборатории с макетом усилителя и запишите номиналы всех элементов схемы.

. Для напряжения питания E_П = +12В, U _КЭ1=U _КЭ3 = +5В постройте на семействе выходных характеристик транзистора линии нагрузки по постоянному току для первого и третьего усилительных каскадов и определите h-параметры в рабочей точке.

. Рассчитайте входное и выходное сопротивление первого каскада.

. Рассчитайте входное и выходное сопротивление эмиттерного повторителя.

. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения схемы, когда первый усилительный каскад соединён с третьим, а эмиттерный повторитель выключен

. Рассчитайте нижнюю и верхнюю граничные частоты первого усилительного каскада, если сопротивлением нагрузки является входное сопротивление эмиттерного повторителя. Транзистор КТ315 характеризуется емкостью коллекторного перехода 7 пФ.

Описание лабораторного макета

Исследуемая схема, (рис.8), представляет собой трёхкаскадный усилитель, собранный на транзисторах КТ315. Первый и третий каскад собраны по схеме с общим эмиттером, второй каскад - эмиттерный повторитель. Тумблерами SA1и SA2 можно включить три каскада последовательно или соединить первый и третий каскад, исключив эмиттерный повторитель. Высокое сопротивление источника сигнала для эмиттерного повторителя имитирует конденсатор С2

Работа усилителя без искажений обеспечивается при условии:

_КЭ1 = U _КЭ2 = U _КЭ3 = +5В.

Корректировка режима работы транзисторов обеспечивается переменными резисторами R2, R7 и R10 в цепи делителей базовой цепи транзисторов.

Рис.8. Передняя панель макета для исследования RC- усилителя.

Напряжение питания Е_П=+12В подаётся от выпрямителя, смонтированного в макете.

Лабораторное задание

. Включите источник питания. Измерьте постоянное напряжение между электродами транзистора. При необходимости подкорректируйте режим с помощью переменных резисторов в цепи базы.

. Соедините последовательно первый и третий каскады(без эмиттерного повторителя) и снимите амплитудную характеристику усилителя. Напряжение на входе изменяйте от нуля до наступления искажений. Форму напряжения на выходе контролируйте с помощью осциллографа. Сравните амплитуду появления искаженного сигнала на выходе третьего каскада с напряжением питания усилителя.

Определите коэффициент усиления и сравните полученные данные с расчетными.

. Соедините усилительные каскады через эмиттерный повторитель и повторите эксперимент п.2.

Сравните результаты эксперимента с расчетными.

. Снимите частотную характеристику первого усилительного каскада, используя в качестве его нагрузки эмиттерный повторитель.

Определите верхнюю и нижнюю граничные частоты и сравните их с расчётными.

Контрольные вопросы

усилитель транзистор каскад электрический

1. Объясните физические процессы, протекающие в каждом каскаде RC-усилителя. За счёт чего происходит усиление по мощности?

. Приведите основные параметры каскадов схемы.

. Начертите эквивалентные схемы транзисторного усилителя: полную; для области: нижних, верхних и средних частот.

Объясните принцип построения эквивалентной схемы по электрической принципиальной.

. Как рассчитать основные параметры каждого каскада усилителя?

. Как экспериментально определить основные параметры каждого каскада?

. Чем определяются значения коэффициента усиления на различных частотах? Как они зависят от параметров транзистора?

. Выведите уравнение К(j), К() по полной эквивалентной схеме и дайте его интерпретацию.

. Как изменяется К() в области нижних, средних и высших    частот? Какими элементами схемы определяется вид фрагментов АЧХ?

. Как влияют обратные связи на основные параметры каскадов схемы?

.Какие виды ОС использованы в схеме?

.Как рассчитываются элементы схемы: Rк, Rэ, R1 ,R2?

.Какие виды фильтров использованы в усилителе? Как определить частоты среза фильтров?

.Можно ли исследуемый усилитель охватить общей ООС и ПОС? Как изменятся при этом его параметры?

Литература

1. Подкин Ю.Г. Электротехника и электроника. Учеб. пособие. - Ижевск: Изд-во Иж ГТУ, 2003.

. Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника. В 2 томах изд.12 - М. : ДОДЭКА - ХХI, 2008 г. Т1 - 832 с., Т2 - 942 с.

. Новожилов О.П. Электротехника и электроника. Учебник для направления 230100. М.: Гардарики, 2008 г., 653 с.