Дослідження амплітудної та динамічної характеристики підсилюючого каскаду

Стр 1 из 4Следующая ⇒

ЗМІСТ

Вступ ............................................................................................................. 4

1. Лабораторна робота №7 .......................................................................... 5

Схеми включення транзисторів у підсилюючих каскадах

2. Лабораторна робота №8 ........................................................................ 14

Режими роботи транзисторів у підсилюючих каскадах

3. Лабораторна робота №9 ........................................................................ 24

Підсилюючі каскади

4. Лабораторна робота №10 ...................................................................... 32

Операційні підсилювачі

5. Лабораторна робота №11 ...................................................................... 42

Генератори електричних коливань

6. Лабораторна робота №12 ...................................................................... 50

Комбінаційні схеми

Література ................................................................................................... 58

Вступ

Даний посібник представляє собою другу частину методичних розробок для проведення лабораторних робіт з курсу "Основи радіоелектроніки" для студентів спеціальностей "Фізика", "Прикладна фізика". Тут містяться описи шести лабораторних робіт, тематика яких була продиктована умовою якнайширшого охоплення всіх розділів цього курсу. Опис кожної лабораторної роботи містить короткі теоретичні відомості, необхідні для її виконання, та експериментальну частину, де наведено схеми експериментальних установок та порядок виконання роботи. Теоретичні відомості викладені по можливості стисло і не деталізують всіх явищ і процесів, що відбуваються в реальних схемах. Це обумовлено обмеженим об¢ємом та прикладним характером цього методичного посібника. Більш детальні відомості за тематикою лабораторних робіт можна отримати з лекційного курсу та спеціальної літератури, список якої наведено в кінці цих методичних розробок.

Як і в першій частині, до експериментального розділу кожної лабораторної роботи включено моделювання та аналіз досліджуваних схем на персональному комп¢ютері з використанням спеціалізованих пакетів прикладних програм. Це дає змогу студентам більш детально ознайомитися з роботою схем та глибше зрозуміти процеси, що відбуваються в тому чи іншому радіотехнічному пристрої. Разом з цим, комп¢ютерне моделювання дозволяє проаналізувати роботу схем, виконання яких в традиційному варіанті представляє певні технічні труднощі.

Лабораторна робота №7

Схеми включення транзисторів

у підсилюючих каскадах

Мета роботи: ознайомлення з основними характеристиками та параметрами підсилювачів електричних сигналів на біполярних транзисторах. Дослідити роботу підсилюючих каскадів з різними схемами включення транзисторів та визначити їх основні характеристики.

Теоретичні відомості

1. Загальні відомості про підсилювачі електричних сигналів

Підсилювач - пристрій, призначений для підсилення потужності електричних сигналів. Підсилювач представляє собою активний чотириполюсник з двома вхідними та двома вихідними клемами (див.рис.1). Вхідні клеми призначені для подачі вхідного сигналу, який необхідно підсилити. До вихідних клем підсилювача під¢єднують опір навантаження R_н. На вході підсилювача діє вхідна напруга U_вх та вхідний струм I_вх, вихідна напруга U_вих знімається з опору навантаження R_н, через який протікає вихідний струм I_вих. Кожен підсилювач містить джерело живлення E. Підсилення потужності електричних сигналів відбувається за рахунок енергії джерела живлення.

Основні параметри підсилювачів :

1. Коефіцієнт підсилення напруги k_u - відношення напруги вихідного сигналу до напруги вхідного сигналу:

. (1)

2. Коефіцієнт підсилення струму k_i - відношення вихідного струму до вхідного :

. (2)

3. Коефіцієнт підсилення потужності k_p - відношення потужності вихідного сигналу до потужності вхідного:

. (3)

4. Амплітудно-частотна характе-ристика (АЧХ) - залежність коефіцієнта підсилення від частоти сигналу (рис.2).

5. Діапазон підсилюваних частот Df - діапазон частот, в межах якого нерівномірність АЧХ Dk не перевищує заданої величини (див. рис.2):

. (4)

6. Вхідний опір - опір входу підсилювача для змінного струму.

7. Вихідний опір - опір виходу підсилювача для змінного струму.

8. Амплітудна характеристика підсилювача - залежність амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного. З виразу (1) отримуємо:

. (5)

Тому амплітудна характеристика ідеального підсилювача має вид прямої лінії з нахилом, що рівний коефіцієнту підсилення.

8. Коефіцієнт нелінійних спотворень. Нелінійні спотворення обумовлені відхиленням амплітудної характеристики реального підсилювача від прямої лінії (рис.3). Ці спотворення проявляються у виді нових компонент спектру частот, які відсутні у вхідному сигналі. Якщо підсилювач вносить нелінійні спотворення, то його амплітудна характеристика описується наступним виразом :

, (6)

де U_вх, U_вих - амплітуди вхідного та вихідного гармонічних сигналів, a_i - коефіцієнти, що визначають вид амплітудної характеристики, k - порядок нелінійності, що визначає число гармонік на виході. При подачі на вхід підсилювача з такою амплітудною характеристикою гармонічного сигналу з частотою f, вихідний сигнал буде представляти собою суму гармонік з частотами f, 2f, 3f, ... , nf і амплітудами U₁, U₂, U₃, ... , U_n. Коефіцієнт нелінійних спотворень представляє собою відношення кореня квадратного із суми квадратів напруг гармонік до напруги основної частоти (першої гармоніки) :

(7)

Тому коефіцієнт нелінійних спотворень часто називають коефіцієнтом гармонік.

Коефіцієнт підсилення напруги k_u та коефіцієнт підсилення потужності k_p часто виражають в спеціальних логарифмічних одиницях - децибелах:

. (8)

Враховуючи, що P ~ U², для k_u отримуємо :

. (9)

2. Класифікація підсилювачів

Як правило, підсилювачі будують на активних елементах - транзисторах та електронних лампах. Тому розрізняють транзисторні підсилювачі та лампові підсилювачі. В сучасних радіотехнічних пристроях використовують в основному транзисторні підсилювачі.

Найменша підсилювальна одиниця підсилювача називається підсилюючим каскадом. Кожен каскад складається з джерела живлення, транзистора та схеми зміщення, яка забезпечує режим роботи транзистора за постійним струмом. Тому розрізняють однокаскадні та багатокаскадні пісилювачі. Коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача рівний добутку коефіцієнтів підсилення окремих каскадів. Якщо коефіцієнти підсилення окремих каскадів виразити в децибелах, то сумарний коефіцієнт підсилення рівний їх сумі. В залежності від місця каскаду в підсилювачі розрізняють каскади попереднього підсилення та вихідні каскади.

В залежності від способу зв¢язку між каскадами багатокаскадного підсилювача розрізняють підсилювачі з безпосереднім зв ¢ язком, підсилювачі з ємнісним зв ¢ язком та підсилювачі з трансформаторним зв ¢ язком (див.рис.4).

В залежності від смуги підсилюваних частот розрізняють підсилювачі постійного струму, смугові підсилювачі та резонансні підсилювачі (див.рис.5). В підсилювачах постійного струму застосовують безпосередній зв¢язок між каскадами, так як конденсатор і трансформатор не передають постійний струм. В якості опору навантаження в резонансних підсилювачах використовуються коливальні контури. Смугові підсилювачі поділяють на підсилювачі низьких частот (ПНЧ) та високих частот (ПВЧ). ПНЧ, що підсилюють звукові частоти (20 Гц¸20кГц), називають підсилювачами звукових частот (ПЗЧ). Смугові підсилювачі, що працюють в діапазоні частот 50 Гц ¸5 МГц, називають відеопідсилювачами. Смугові підсилювачі високих частот, що підсилюють сигнали в радіочастотному діапазоні називають підсилювачами радіочастоти.

Підсилювачі, призначені для підсилення потужності різниці вхідних сигналів називають диференційними підсилювачами. Підсилювачі постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення, виконані у виді інтегральних мікросхем, називають операційними підсилювачами. Вхідним каскадом операційного підсилювача є диференційний каскад.

3. Схеми включення транзисторів у підсилювальних каскадах

Згідно з рис.1, кожен підсилювач має чотири виводи - два вхідні та два вихідні, а транзистор має тільки три виводи: емітер, колектор та базу. Тому, в транзисторному підсилюючому каскаді один із виводів транзистора має бути спільним для входу і виходу. Таким чином, в підсилюючому каскаді транзистор може бути включений за однією із трьох можливих схем включення: схема зі спільним емітером (СЕ), схема зі спільним колектором (СК) та схема зі спільною базою (СБ) (див. рис.6). Всі основні характеристики підсилюючих каскадів залежать від схеми включення транзистора.

В схемі зі спільним емітером спільним виводом для вхідного і вихідного сигналу є емітер транзистора (див.рис.7). Резистори R1 та R2 утворюють подільник напруги для подачі зміщення на базу транзистора. Резистор R3 являється навантаженням каскаду.

Дана схема включення транзистора дозволяє отримати підсилення як напруги, так і струму, тому коефіцієнт підсилення потужності при такому включенні є найбільшим. Однак він сильно залежить від зміни режиму роботи транзистора, температури та заміні екземплярів транзисторів. Вхідний опір такого каскаду, в залежності від типу транзистора та резисторів R1 і R2, складає десятки - тисячі Ом. Вихідний опір визначається опором навантаження R3. Коефіцієнт нелінійних спотворень при включенні транзистора за схемою зі СЕ більший, ніж при інших включеннях, однак таке включення застосовується найбільш часто, так як дозволяє отримати найбільше підсилення потужності.

В схемі зі спільним колектором, спільним виводом для вхідного і вихідного сигналу є колектор транзистора (див.рис.8), хоча безпосередньо з наведеної схеми це не видно. Однак, необхідно врахувати, що опір джерела живлення Е є дуже малим. Тому спільний заземлений вивід для вхідного і вихідного сигналу через малий опір джерела живлення підключений до колектора транзистора. Саме тому дана схема включення транзистора є схемою зі спільним колектором. Як і в попередньому випадку, резистор R3 виступає в ролі навантаження каскаду, а резистори R1 та R2 використовуються для подачі напруги зміщення на базу транзистора.

Дана схема включення транзистора підсилює тільки струм. Коефіцієнт підсилення струму також залежить від режиму роботи транзистора, температури та заміни екземплярів транзисторів. Коефіцієнт підсилення напруги при такому включенні транзистора близький до одиниці, тому такий каскад не підсилює напругу: U_вих»U_вх. Саме тому його ще називають емітерним повторювачем. Перевагою такої схеми включення є великий вхідний опір і малий вихідний. Тому емітерний повторювач застосовують для узгодження вхідних і вихідних опорів між каскадами.

В схемі зі спільною базою, спільним виводом для вхідного і вихідного сигналу є база транзистора (див.рис.9). Включення транзистора зі СБ дозволяє отримати підсилення тільки напруги. Коефіцієнт підсилення струму при такому включенні близький до одиниці і мало змінюється при зміні режиму роботи транзистора, температури і заміні екземплярів транзисторів. Вхідний опір транзистора при включенні зі СБ є меньшим, ніж при інших включеннях, а вихідний - більшим. Перевагою такої схеми включення є дуже малий коефіцієнт нелінійних спотворень та широкий діапазон підсилюваних частот. Тому таку схему, як правило, застосовують в радіочастотних підсилювачах.

Резюме

1. Підсилення потужності електричних сигналів відбувається за рахунок енергії джерела живлення.

2. Схема включення транзистора зі спільним емітером підсилює і напругу, і струм.

3. Схема включення транзистора зі спільним колектором підсилює тільки струм.

4. Схема включення транзистора зі спільною базою підсилює тільки напругу.

Порядок виконання роботи

1. Дослідження роботи підсилювального каскаду з включенням транзистора за схемою зі спільним емітером

1. Зібрати схему установки для дослідження каскаду зі спільним емітером (рис.10). В якості вольтметра В1 використати вольтметр В7-26. В якості В2 та А1 використати вмонтовані в лабораторний пристрій К4822-2 комбіновані електровимірювальні пристрої. Встановити вольтметр В1 на діапазон вимірювання постійної напруги 1 Вольт, вольтметр В2 - на діапазон 10 Вольт, а амперметр А1 - на діапазон 0,25 мА. Включити живлення установки та перевірити її працездатність.

Увага! При монтажі установки обов¢язково дотримуйтесь вказаної на рис.1 полярності включення електровимірювальних приладів у схему. При відхиленні стрілки приладів у крайнє ліве або зашкалюванні її у крайнє праве положення негайно вимкніть живлення схеми!

2. Користуючись показами вольтметра В1, потенціометром R2 встановити вхідну напругу U_вх рівною 0,7 В. За допомогою амперметра А1 виміряти вхідний струм I_вх. За допомогою вольтметра В2 виміряти вихідну напругу U_вих. Дані занести в таблицю 1.

3. Потенціометром R2 встановити вхідну напругу U_вх рівною 0,8 В. Знову виміряти вхідний струм та вихідну напругу. Дані занести в таблицю 1.

4. Обчислити приріст вхідної напруги DU_вх, приріст вихідної напруги DU_вих, приріст вхідного струму DI_вх та приріст вихідного струму DI_вих=DU_вих/R_K.

5. Обчислити вхідний та вихідний опір каскаду: R _вх=DU_вх/DI _вх, R _вих=DU_вих/DI _вих. Дані розрахунків занести в таблицю 1.

6. Обчислити коефіцієнт підсилення за напругою k_u=DU_вих/DU_вх, коефіцієнт підсилення за струмом k_і=DI_вих/DI_вх та коефіцієнт підсилення потужності k_p=k_uk_i каскаду з включенням транзистора за схемою зі спільним емітером. Дані розрахунків занести в таблицю 1.

2. Дослідження роботи підсилювального каскаду з включенням транзистора за схемою зі спільним колектором

1. Зібрати схему установки для дослідження каскаду зі спільним колектором (рис.11). Встановити вольтметр В1 на діапазон вимірювання постійної напруги 10 Вольт, вольтметр В2 - на діапазон 10 Вольт, а амперметр А1 - на діапазон 0,25 мА. Включити живлення установки та перевірити її працездатність.

2. Потенціометром R1встановити вхідну напругу каскаду U_вх рівною 6 В. Виміряти вхідний струм I_вх та вихідну напругу U_вих. Дані занести в таблицю 1.

3. Встановити вхідну напругу U_вх рівною 8 В. Знову виміряти вхідний струм та вихідну напругу. Дані занести в таблицю 1.

4. Обчислити приріст вхідної напруги DU_вх, приріст вихідної напруги DU_вих, приріст вхідного струму DI_вх та приріст вихідного струму DI_вих=DU_вих/R_E.

6. Обчислити коефіцієнт підсилення за напругою k_u=DU_вих/DU_вх, коефіцієнт підсилення за струмом k_і=DI_вих/DI_вх та коефіцієнт підсилення потужності k_p=k_uk_i каскаду з включенням транзистора за схемою зі спільним колектором. Дані розрахунків занести в таблицю 1.

3. Дослідження роботи підсилювального каскаду з включенням транзистора за схемою зі спільною базою

1. Зібрати схему установки для дослідження каскаду зі спільною базою (рис.12). Встановити вольтметр В1 на діапазон вимірювання постійної напруги 1 Вольт, вольтметр В2 - на діапазон 10 Вольт, а амперметр А1 - на діапазон 1 мА. Включити живлення установки та перевірити її працездатність.

2. Потенціометром R2встановити вхідну напругу каскаду U_вх рівною 0,3 В. Виміряти вхідний струм I_вх та вихідну напругу U_вих. Дані занести в таблицю 1.

3. Встановити вхідну напругу U_вх рівною 1 В. Знову виміряти вхідний струм та вихідну напругу. Дані занести в таблицю 1.

4. Обчислити приріст вхідної напруги DU_вх, приріст вихідної напруги DU_вих, приріст вхідного струму DI_вх та приріст вихідного струму DI_вих=DU_вих/R5.

6. Обчислити коефіцієнт підсилення за напругою k_u=DU_вих/DU_вх, коефіцієнт підсилення за струмом k_і=DI_вих/DI_вх та коефіцієнт підсилення потужності k_p=k_uk_i каскаду з включенням транзистора за схемою зі спільною базою. Дані розрахунків занести в таблицю 1.

7. Порівняти вхідні та вихідні опори, коефіцієнти підсилення за напругою, коефіцієнти підсилення за струмом та коефіцієнти підсилення потужності каскадів з різними схемами включенням транзистора та зробити відповідні висновки.

4. Моделювання роботи підсилюючих каскадів з різними схемами включення транзисторів на ПК

1. Синтезувати підсилюючі каскади зі СЕ, СК та СБ, використовуючи пакет прикладних програм PCAD або WORKBENCH.

2. Дослідити роботу та визначити основні характеристики цих каскадів при змінному вхідному сигналі.

3. Зробити висновки.

Лабораторна робота № 8

Режими роботи транзисторів

у підсилюючих каскадах

Мета роботи: ознайомлення з основними режимами роботи транзисторів у підсилювальних каскадах. Дослідити вплив режиму роботи транзистора на форму вихідного сигналу та основні характеристики підсилювальних каскадів.

Теоретичні відомості

1. Побудова динамічної характеристики підсилюючого каскаду

На рис.1а представлена схема вихідного кола транзисторного каскаду з включенням n-p-n транзистора за схемою зі спільним емітером. У цьому колі протікає струм I_К. Вихідна напруга U_ЕК знімається з колектора транзистора. Таку схему можна представити у виді подільника напруги живлення (рис.1б), в якому роль "нижнього" резистора відіграє опір між емітером та колектором транзистора R_EK.

Струм, що протікає через подільник, згідно закону Ома, рівний

, (1)

а вихідна напруга такого подільника дається виразом

. (2)

Суттєвим є те, що опір транзистора R_EK може змінюватись в дуже широких межах і залежить від вхідного струму. Це, згідно з виразами (1) та (2) приводить до зміни вихідного струму I_K та вихідної напруги U_EK, можливі значення яких визначаються вихідними статичними характеристиками транзистора (див.рис.2). При R_EK=∞ (закритий транзистор), згідно з виразами (1) та (2), отримуємо

, .

Такій ситуації відповідає точка A на вихідних характеристиках (рис.2). При R_EK=0 (повністю відкритий транзистор) маємо

, .

Цей стан відповідає точці B на вихідних характеристиках. Лінія AB, що з¢єднує ці дві точки, називається динамічною характеристикою каскаду . Певним значенням напруги U_EK та струму I_K відповідає точка на динамічній характеристиці, яка називається робочою точкою (наприклад, точка C на рис.2). Положення цієї точки визначається струмом бази (вхідним струмом). При струмі бази I_Б = I_Б₁ напруга U_EK= U_EK₁ а струм I_K=I_K₁ (точка D на рис.2). При струмі бази I_Б = I_Б₃ напруга U_EK= U_EK₃ а струм I_K=I_K₃ (точка F на рис.2) і т.д. Таким чином, зміна вхідного струму приводить до змін вихідної напруги та вихідного струму, причому зміна вихідних величин значно перевищує зміну вхідних, тобто відбувається їх підсилення.

Величина вхідного струму бази I_Б , від якого, як було показано вище, залежить і вихідний струм і вихідна напруга, задається напругою між емітером та базою U_EБ у відповідності з вхідними статичними характеристиками транзистора I_Б=f(U_ЕБ). Для роботи транзистора у підсилюючому каскаді необхідно задати режим його роботи за постійним струмом та режим роботи за змінним струмом.

2. Режими роботи транзистора за постійним струмом

Режим роботи транзистора у підсилюючому каскаді за постійним струмом визначається положенням робочої точки на динамічній характеристиці. Положення робочої точки задається вхідною напругою U_EБ.

При відсутності вхідної напруги (U_EБ=0), згідно з рис.3а, вхідний струм бази теж рівний нулю (I_Б=0). Цей стан відповідає точці A на динамічній характеристиці каскаду (рис.3б). Як видно, в цьому стані струм, що протікає через транзистор I_K=I_Kmin є дуже малим, а спад напруги на транзисторі U_EK=U_EKmax є максимальним і наближається до величини напруги живлення E. Такий режим роботи транзистора називається режимом відсічки. В режимі відсічки транзистор є повністю закритим.

Збільшення вхідної напруги U_EБ=U_EБ₁>0 приводить до збільшення вхідного струму I_Б=I_Б₁>0 (див рис.3а). Робоча точка змінює своє положення на динамічній характеристиці (точка B на рис.3б). В такому стані транзистор характеризується певними значеннями вихідної напруги U_EK₁ та вихідного струму I_K₁. Такий режим роботи транзистора називається активним режимом.

При деякій величині вхідної напруги U_EБ=U_EБmax вхідний струм досягає величини I_Б=I_Бmax. Цьому випадку відповідає точка C на динамічній характеристиці каскаду (рис.3б). В такому режимі спад напруги на транзисторі є мінімальним U_EK=U_EKmin, а струм, що протікає через транзистор є максимальним I_K=I_Kmax. Подальше збільшення вхідної напруги та вхідного струму вже не приводить до змін відповідних вихідних величин. Тому такий режим роботи транзистора називається режимом насичення. Транзистор в такому режимі роботи є максимально відкритим.

3. Режими роботи транзистора за змінним струмом

В активному режимі робочу точку транзистора вибирають в середині динамічної характеристики (точка C на рис.4б). Для цього на базу транзистора необхідно подати деяку постійну напругу U_EБ=U_EБ₂ для створення деякого струму бази I_Б₂ (див.рис.4а). Цю напругу називають напругою зміщення. Як правило, для цього застосовують подільник напруги на резисторах R1 та R2 (див рис.5). Змінюючи опори цих резисторів, можна змінювати напругу та струм бази, а значить, задавати положення робочої точки на динамічній характеристиці каскаду.

При подачі на вхід такого каскаду змінної напруги, напруга на базі буде змінюватись від U_EБ₁ до U_EБ₃ (рис.4а). У відповідності з цим, струм бази буде змінюватись від I_Б₁ до I_Б₃. Це приведе до зміни за законом вхідного сигналу і вихідних величин U_EK та I_K, причому, як вже наголошувалось, зміни вихідних величин пере-вищують зміни вхідних. Як видно з рис.4, збільшення вхідної напруги приводить до зменшення вихідної і навпаки. Тому включен-ня транзистора зі спільним емітером інвертує фазу вхідного сигналу на 180⁰.

Особливістю такого режиму роботи транзисторного каскаду є те, що вихідний сигнал діє на протязі всього періоду вхідного підсилюваного сигналу. Такий режим роботи транзистора за змінним струмом називають режимом класу А.

При відсутності напруги зміщення U_EБ₀=0 транзистор переходить в режим відсічки. При подачі на вхід такого каскаду вхідного змінного сигналу струм бази I_Б буде змінюватись від I_Б=0 до деякого значення I_Б=I_Б₂ (див. рис.6а). У відповідності з цим, вихідний струм буде змінюватись від I_K=I_Kmin до I_K=I_K₂, а вихідна напруга - від U_EKmax до U_EK₂ (див. рис.6б). Як видно, вихідний сигнал діє тільки за час половини періоду вхідного сигналу. За час дії другої половини періоду вхідного сигналу транзистор знаходиться у режимі відсічки. Такий режим роботи підсилювального каскаду за змінним струмом називається режимом класу В. Необхідно відмітити, що часто режим роботи A та режим роботи B транзистора у підсилювальних каскадах комбінують: такий режим роботи транзистора називають режимом класу AB. Для цього, на базу транзистора, що працює в режимі B подають невелику напругу зміщення. Це приводить до того, що транзистор відсікає частину сигналу, меншу за половину періоду.

Якщо на базу транзистора подати від¢ємну напругу зміщення U_EБ₀<0, то, як видно із рис.7, вихідний сигнал буде діяти за час, що менший за половину періоду вхідного сигналу. Такий режим роботи підсилювального каскаду за змінним струмом називається режимом класу С.

При подачі на вхід транзистора імпульсного сигналу з досить великою амплітудою, транзистор буде почергово переходити в режим відсічки та в режим насичення (див. рис.8). Такий режим роботи транзистора називають ключовим. В ключовому режимі транзистор працює, наприклад, в генераторах прямокутних імпульсів (мультивібраторах).

Коефіцієнт корис-ної дії каскаду, в якому транзистор працює в режимі A, є дуже низьким (близько 30%), так як постійна складова вихід-ного струму перевищує корисну змінну складову вихідного сигналу. Це приводить до того, що потужність, яка розсію-ється на транзисторі у виді теплових втрат є більшою, ніж потужність корисного сигналу. Тому режим класу A використовується для підсилення малих сигналів у вхідних каскадах підсилювачів або коли вимогами економічності можна знехтувати.

Режим класу B застосовується у двотактних вихідних каскадах підсилювачів (див.лаб.роб.№9). ККД каскаду, в якому транзистор працює в режимі B складає близько 70%. Це пояснюється тим, що в цьому режимі транзистор є відкритим тільки за час дії половини періоду вихідного сигналу. За час дії другої половини періоду вихідного сигналу транзистор знаходиться у режимі відсічки, струм через нього не протікає і теплові втрати відсутні.

Режим класу C використовується в амплітудних детекторах, коли необхідно виділити сигнали, що відрізняються за амплітудою. Така необхідність виникає, наприклад, в пристроях синхронізації розгорток телевізійних приймачів та моніторів. Вхідний відеосигнал в таких пристроях представляє собою суміш сигналу зображення та імпульсів синхронізації. Для виділення імпульсів синхронізації використовують каскад, в якому транзистор працює в режимі класу C (див рис.9).

Резюме

1. За постійним струмом транзистор може працювати в таких режимах:

- режим відсічки (напруга на транзисторі максимальна, струм через транзистор мінімальний);

- режим насичення (напруга на транзисторі мінімальна, струм через транзистор максимальний);

- режим підсилення (напруга на транзисторі та струм, що протікає через нього мають проміжкові значення).

2. По відношенню до змінного струму транзистор може працювати в таких режимах:

- режим класу A (вихідний сигнал діє протягом всього періоду вхідного сигналу);

- режим класу B (вихідний сигнал діє протягом половини періоду вхідного сигналу);

- режим класу AB (вихідний сигнал діє за час, більший половини періоду вхідного сигналу);

- режим класу C (вихідний сигнал діє за час, менший половини періоду вхідного сигналу);

- ключовий режим (транзистор періодично знаходиться в режимах відсічки та насичення).

3. Режим роботи транзисторного каскаду за змінним струмом визначається положенням робочої точки на динамічній характеристиці каскаду.

4. Положення робочої точки визначається напругою (струмом) зміщення на базі транзистора.

Порядок виконання роботи

Дослідження амплітудної та динамічної характеристики підсилюючого каскаду

1. Зібрати схему установки для дослідження режимів роботи транзистора у підсилюючих каскадах (рис.10). Для зняття динамічної характеристики генератор та осцилограф, показані на рис.10, можна не включати. В якості вольтметра В1 використати універсальний вольтметр В7-26, в якості вольтметра В2 та амперметра А1 використати вмонтовані в лабораторний пристрій К4822-2 комбіновані електровимірювальні пристрої. Встановити вольтметр В1 на діапазон вимірювання постійної напруги 10 Вольт, вольтметр В2 - на діапазон 10 Вольт, а амперметр А1 - на діапазон 25 мА. Включити живлення установки та перевірити її працездатність.

2. Поворотом ручки потенціометра R 1 послідовно встановлювати значення вхідної напруги U _вх, задані в таблиці 1. Контроль вхідної напруги проводити вольтметром В1. При цьому для кожної величини U _вх виміряти величину вихідної напруги U _вих та вихідного струму I_вих. Контроль вихідної напруги проводити вольтметром В2, а вихідного струму - амперметром А1. Дані занести в таблицю 1.

3. Для кожної величини вхідної напруги визначити напругу між емітером та колектором транзистора U_EK за формулою

, (3)

де Е - напруга джерела живлення (для даної схеми вона складає 10 В). Дані занести в таблицю 1.

4. Використовуючи дані таблиці 1, побудувати амплітудну характеристику підсилюючого каскаду U_вих=f(U_вх). Побудувати динамічну характеристику каскаду I_К=f(U_ЕК). При цьому можна вважати I_К=I_вих.

5. На побудованих характеристиках вказати області, де транзистор працює в підсилювальному режимі, режимі відсічки та насичення.

2. Дослідження режиму класу А роботи транзистора в підсилюючому каскаді

1. До схеми експериментальної установки підключити, згідно з рис.10, генератор гармонічних сигналів, вмонтований в лаборатораторний пристрій К4822-2, та осцилограф С1-67.

2. Потенціометром R1 встановити вхідну напругу U_вх=5 В. Включити живлення генератора гармонічних сигналів. На осцилографі, підключеному до виходу схеми, повинен спостерігатись неспотворений синусоїдальний сигнал. Такий режим роботи схеми відповідає режиму роботи транзистора класу А.

3. Зарисувати епюри вихідного сигналу в режимі класу А.

4. Визначити коефіцієнт корисної дії каскаду в режимі класу А. Для цього необхідно за допомогою осцилографа визначити амплітуду вихідного сигналу U_m (див. рис.11), а за показами амперметра А1 - струм I_вих. Повну потужність P _ПОВ, що споживається схемою, та потужність корисного сигналу на виході схеми Р_КОР визначаємо за співвідношеннями

, , (4)

де Е=10 В (напруга джерела живлення). Коефіцієнт корисної дії визначається відношенням корисної та повної потужності:

. (5)

2. Дослідження режиму класу АВ роботи транзистора в підсилюючому каскаді

1. Потенціометром R1 встановити вхідну напругу U_вх=4В. На осцилографі, підключеному до виходу схеми, повинен спостерігатись спотворений синусоїдальний сигнал з "відрізаною" частиною від¢ємного напівперіоду (рис.12). Такий режим роботи схеми відповідає режиму роботи транзистора класу АВ.

2. Зарисувати епюри вихідного сигналу в режимі класу АВ.

3. Визначити кут відсічки вихідного сигналу. Для цього, використовуючи осцилограф, визначити період вихідного сигналу Т та тривалість відсічки t (див.рис.12). Кут відсічки знаходимо зі співвідношення

. (6)

4. Визначити кут відсічки вихідного сигналу для вхідних напруг 3 В, 2 В, 1 В, 0.7 В. Дані занести в таблицю 2.

3. Дослідження режиму класу В роботи транзистора в підсилюючому каскаді

1. Потенціометром R 1 встановити вхідну напругу, рівною 0.7 В. При цьому, згідно з таблицею 2, кут відсічки має складати близько 180⁰. Це означає, що відсікається половина (один напівперіод) гармонічного сигналу (див. рис.13). Такий режим роботи транзистора відповідає режиму класу В.

2. Зарисувати епюри вихідного сигналу в режимі класу В.

3. Визначити коефіцієнт корисної дії каскаду в режимі класу В. Для цього необхідно за допомогою осцилографа визначити амплітуду вихідного сигналу U_m (див. рис.13), а за показами амперметра А1 - струм I_вих. Повну потужність P _ПОВ, що споживається схемою, та потужність корисного сигналу на виході схеми Р_КОР визначаємо за співвідношеннями

, , (7)

де Е=10 В (напруга джерела живлення). Коефіцієнт корисної дії визначається відношенням корисної та повної потужності за співвідношенням (5).

4. Дослідження режиму класу С роботи транзистора в підсилюючому каскаді

1. Потенціометром R 1 встановити вхідну напругу, рівною 0,2 В. Визначити кут відсічки j. Його величина має бути більшою за 180⁰. Такий режим роботи транзистора відповідає режиму класу С.

2. Зарисувати епюри вихідного сигналу в режимі класу С.

3. Порівняти коефіцієнти корисної дії каскадів при роботі в режимах А та В. Зробити відповідні висновки.

5. Моделювання роботи підсилюючого каскаду в різних режимах роботи транзистора на ПК.

1. Синтезувати підсилюючий каскад на ПК, використовуючи пакет прикладних програм PCAD або WORKBENCH.

2. Змінюючи напругу зміщення, дослідити роботу схеми в режимах A, B, AB, C та ключовому режимі.

3. Зробити висновки.

Лабораторна робота № 9

Підсилюючі каскади

Мета роботи: ознайомлення з основними типами транзисторних підсилюючих каскадів: резистивно-ємнісним каскадом, двотактним вихідним каскадом та диференційним підсилювачем. Дослідити роботу та визначити основні характеристики вказаних типів каскадів.

Теоретичні відомості

1. Резистивно-ємнісний підсилюючий каскад

Принципова електрична схема RC-каскаду показана на рис.1. Вихідне коло такого каскаду складається з послідовно включених резистора R_K та транзистора. Резистор R_н виступає в ролі навантаження каскаду. Вихідний сигнал знімається з колектора транзистора через розділовий конденсатор C2. Резистори R1 та R2 утворюють подільник напруги живлення для подачі зміщення на базу транзистора. Напруга зміщення задає положення робочої точки на динамічній характеристиці каскаду, тобто режим роботи транзистора. Вхідний сигнал через розділовий конденсатор C1 подається на базу транзистора.

Розглянемо часові діаграми роботи такого каскаду (рис.2). При відсутності вхідного сигналу U_вх=0 на базі транзистора діє постійна напруга зміщення U_EБ=U_зм (рис.2б). Ця напруга зміщення відкриває транзистор і через нього протікає постійний струм спокою I_K0 (рис.2в). Спад напруги на транзисторі при відсутності вхідного сигналу рівний U_EK0 (рис.2г). Так як конденсатор постійний струм не пропускає, то вихідний сигнал буде рівний нулю U_вих=0 (рис.2.д).

При подачі на вхід каскаду змінного сигналу, вхідна напруга додається до напруги зміщення і на базі транзистора буде діяти сигнал, зображений на рис.2б. За законом цього сигналу буде змінюватись і напруга U_EK і струм колектора I_K (рис.2в,2г). Ці сигнали представляють собою суму постійної складової та змінної складової. Розділовий конденсатор C2 відсікає постійну складову, тому на виході каскаду отримуємо тільки підсилений змінний сигнал (рис.2д). Як видно з наведених діаграм, такий каскад інвертує фазу вхідного сигналу на 180⁰.

Основними параметрами RC каскаду є:

§ коефіцієнт підсилення напруги ;

§ вхідний опір R_вх;

§ вихідний опір R_вих;

§ амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) .

Коефіцієнт підсилення залежить від режиму роботи транзистора за постійним струмом, коефіцієнта передачі струму бази h_21Eта від опору R _К. Збільшення колекторного опору веде до збільшення коефіцієнта підсилення.

Так як опір джерела живлення E є дуже малим, то для вхідного змінного сигналу виводи "+" та "-" джерела живлення є еквівалентними. Тому вхідний опір підсилюючого каскаду визначається паралельно включеними (для змінного струму) опорами резисторів R1 та R2. Вихідний опір такого каскаду практично рівний опору резистора R_К.

Вид амплітудно-частотної характеристики підсилюючого каскаду залежить від ємності конденсаторів C1 та C2 та частотних властивостей транзистора. При зменшенні частоти вхідного сигналу зростає реактивний опір конденсаторів, що приводить до зменшення коефіцієнта підсилення каскаду. На високих частотах зменшуються підсилювальні властивості транзистора, що також приводить до зменшення коефіцієнта підсилення. Тому для розширення робочої смуги частот в сторону низьких частот необхідно ємності конденсаторів C1 та C2 вибирати якомога більшими, а для розширення смуги частот підсилювача в сторону високих частот необхідно застосовувати високочастотні транзистори або вводити спеціальні коректуючі кола.

Суттєвим недоліком схеми RC-каскаду, приведеної на рис.1, є відсутність температурної стабілізації струму колектора. Струм колектора транзистора такого каскаду сильно залежить від температури. Збільшення температури приводить до зростання струму через транзистор, що, в свою чергу, приводить до ще більшого його розігріву і подальшого збільшення колекторного струму. Процес наростає лавиноподібно, що може привести до теплового пробою і виходу транзистора з ладу. Тому застосовують різні схеми температурної стабілізації положення робочої точки.

При емітерній стабілізації в коло емітера включають додатковий резистор R_E (рис.3). Збільшення температури приводить до збільшення струму через цей резистор, внаслідок чого збільшується падіння напруги на ньому. Так як напруга вхідного сигналу та напруга на резисторі R_E знаходяться в протифазі, то результуюча напруга між емітером та базою транзистора зменшується і струм через транзистор повертається до свого попереднього значення.

Емітерна стабілізація робочої точки є досить ефективною і застосовується найбільш часто. Ефективність стабілізації є тим більшою, чим більший опір резистора R_E, однак при цьому зменшується коефіцієнт підсилення каскаду. Тому резистор R_E часто шунтують конденсатором великої ємності (C_E на рис.3), опір якого для змінного струму є дуже малим. Це приводить до того, що змінна складова вихідного струму протікає через конденсатор, а не через резистор, внаслідок чого збільшується коефіцієнт підсилення каскаду за змінним струмом.

При колекторній стабілізації робочої точки між колектором та базою транзистора включають опір R_K (див. рис.4), який передає частину вихідної напруги на вхід каскаду. Збільшення струму через транзистор внаслідок нагрівання приводить до зменшення напруги на колекторі, а значить, і на базі транзистора, що приводить до повернення струму через транзистор до попереднього значення.

Колекторну стабілізацію застосовують досить рідко внаслідок її меншої ефективності в порівнянні зі схемами емітерної стабілізації. Часто колекторну та емітерну стабілізацію робочої точки застосовують одночасно, створюючи, тим самим, схему комбінованої стабілізації. За своєю суттю і емітерна, і колекторна стабілізація робочої точки полягає у введенні в підсилювач від¢ємного зворотнього зв¢язку, коли частина сигналу з виходу підсилювача подається в протифазі на його вхід (див.лаб.роб.№10).

2. Двотактний вихідний каскад

Основною вимогою, що ставиться до вихідних каскадів підсилювачів, є забезпечення потрібної потужності в навантаження при максимально можливому використанні енергії джерела живлення (максимальному ККД). Тому транзистори у вихідних каскадах працюють в режимі великих амплітуд напруг та струмів. В таких режимах на колекторі транзисторів розсіюється велика потужність, що виділяється у виді тепла. Тому у вихідних каскадах застосовують потужні транзистори та приймають спеціальні засоби для відводу від них тепла. Найчастіше транзистори вихідних каскадів встановлюють на радіатори, а в деяких випадках навіть застосовують вентилятори.

Однотактні вихідні каскади застосовують дуже рідко, адже в таких каскадах транзистори працюють в режимі класу A, коефіцієнт корисної дії якого не перевищує 40%. Тому найчастіше в якості вихідних використовують двотактні каскади, в яких транзистори працюють в режимі класу B, що дозволяє забезпечити відносно великий ККД (близько 70%).

Принципова електрична схема найпростішого двотактного вихідного каскаду з транзисторами різного типу провідності наведена на рис.5. Застосування транзисторів різного типу провідності дозволяє відмовитися від включення на виході розділового конденсатора, однак при цьому необхідні два джерела живлення E1 та E2. Транзистори в каскаді, зображеному на рис.5, включені за схемою зі спільним колектором, тому такий каскад підсилює тільки струм. Це означає, що підсилення напруги до заданої величини повинні забезпечити каскади попереднього підсилення.

При подачі на вхід такого каскаду змінного сигналу, транзистори почергово відкриваються і закриваються. Під час дії додатнього напівперіоду вхідного сигналу транзистор VT1 відкривається і через відкритий транзистор та опір навантаження R_н протікає струм I₁ від джерела живлення E1. Транзистор VT2 в цей час закритий (переходить в режим відсічки). Під час дії від¢ємного напівперіоду вхідного сигналу відкриваєтьсятранзистор VT2 і через цей відкритий транзистор та опір навантаження R_н протікає струм I₂ від джерела живлення E2. В цей час транзистор VT1 є закритим. Часові діаграми роботи двотактного вихідного каскаду представлені на рис.6.

Для передачі максимальної потужності в навантаження вихідний опір такого каскаду повинен дорівнювати опору навантаження R_н. Якщо таку умову виконати не вдається, то опір навантаження включають до виходу каскаду через спеціальний узгоджуючий трансформатор.

Слід відмітити, що коефіцієнт нелінійних спотворень двотактного вихідного каскаду є більшим, ніж однотактного каскаду, що працює в режимі класу A. Тому часто транзистори в двотактних підсилювачах переводять в режим класу AB. Для цього на бази транзисторів подають невелику напругу зміщення для запобігання їх переходу в режим відсічки. Це дозволяє зменшити коефіцієнт нелінійних спотворень, хоча і дещо зменшує ККД каскаду.

3. Диференційний підсилювач

Диференційний підсилюючий каскад представляє собою двохтранзисторну схему з об¢єднаними емітерами, що призначена для підсилення різниці вхідних сигналів. Принципова електрична схема такого підсилювача наведена на рис.7. Як видно, диференційний каскад має два входи та два виходи. Вхідний сигнал може бути поданий симетрично - між базами транзисторів або несиметрично - між базою одного з транзисторів та спільним провідником. При несиметричній подачі вхідного сигналу на один із входів інший вхід, що не використовується, повинен бути під¢єднаний до спільного провідника або безпосередньо, або через резистор. Вихідний сигнал також можна знімати симетрично - між колекторами транзисторів, або несиметрично - між колектором одного з транзисторів та спільним провідником. Якщо сигнал подається на вхід та знімається з виходу несиметрично, то диференційний каскад може бути інвертуючим та неінвертуючим. При несиметричному виході один із колекторів може бути з¢єднаний безпосередньо з виводом джерела живлення без колекторного резистора.

Як видно з рис.7, струм, що протікає через резистор R_E рівний сумі струмів, що протікають у вітках диференційного каскаду

. (1)

Опір резистора R_E вибирають таким, щоб струм через нього I_E був практично постійним і не залежав від величини вхідних та вихідних сигналів. Для цього його опір повинен бути якомога більшим, однак при цьому зменшується коефіцієнт підсилення каскаду. Тому часто замість резистора R_E в коло включають так званий генератор струму, що забезпечує постійність I_E.

При симетричному виході і відсутності сигналів на входах вихідна напруга буде дорівнювати нулю, так як при одинакових параметрах транзисторів та одинакових колекторних опорах через них будуть протікати одинакові струми I_E₁ = I_E₂, що спричинить одинакові падіння напруги на цих опорах. При подачі на один із входів сигналу, струм у відповідній вітці зміниться, що спричинить зміну колекторної напруги і появу вихідного сигналу. З виразу (1) видно, що зміна струму в одній вітці приводить до протилежної зміни струму в іншій вітці диференційного підсилювача, так як I_E=const. Тому диференційний каскад підсилює тільки різницю напруг на входах:

. (2)

При одинакових (синфазних) вхідних сигналах U_вх₁=U_вх₂, тому вихідний сигнал буде рівний нулю. При U_вх₂=0 з виразу (2) отримуємо:

. (3)

При U_вх₁=0 маємо

. (4)

Таким чином, при подачі вхідного сигналу на один із входів вихідний сигнал буде співпадати за фазою з вхідним, а при подачі сигналу на інший вхід, вихідний сигнал буде інвертувати фазу вхідного сигналу на 180⁰. Тому один із входів диференційного підсилювача називають інвертуючим, а інший - неінвертуючим.

Диференційні каскади широко використовуються в різних радіотехнічних пристроях. Основна їх перевага - зручність побудови інвертуючих та неінвертуючих підсилювачів. Найбільш часто їх застосовують в операційних підсилювачах, де диференційний каскад є першим вхідним каскадом таких підсилювачів (див.лаб.роб.№10).

Резюме

1. У резистивно-ємнісному каскаді збільшення колекторного опору веде до збільшення коефіцієнта підсилення, а збільшення емітерного опору веде до зменшення коефіцієнта підсилення.

2. У двотактному вихідному каскаді транзистори працюють в режимі класу B. Кожен транзистор підсилює тільки один напівперіод вхідного сигналу.

3. Диференційний каскад підсилює тільки різницю вхідних сигналів і має інвертуючий та неінвертуючий входи.

Порядок виконання роботи

1. Дослідження характеристик підсилюючого RC -каскаду

1. Зібрати схему установки для дослідження роботи RC-каскаду (рис.8). В якості генератора використати вмонтований в лабораторний пристрій К4822-2 генератор гармонічних сигналів. Перевірити працездатність схеми.

2. Підключивши осцилограф до точки А схеми (рис.8), виміряти вхідну напругу U_вх. Підключивши осцилограф до точки В схеми, виміряти вихідну напругу U_вих. Визначити коефіцієнт підсилення каскаду:

. (5)

3. При незмінному емітерному опорі R_E=200 Ом, послідовно змінюючи колекторний опір R_K на вказані в таблиці 1 значення, визначити коефіцієнт підсилення каскаду. Дані занести в таблицю 1.

4. Встановити колекторний опір рівним R_K=1,5 кОм. Послідовно змінюючи емітерний опір R_E на вказані в таблиці 1 значення, визначити коефіцієнт підсилення каскаду. Дані занести в таблицю 1.

5. Побудувати залежності k_u = f(R_K) при R_E=сonst та k_u = f(R_K) при R_E=сonst.

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 132; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!