УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Лабораторная работа 7
Исследование УНЧ в NI Multisim 12
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Получение навыков расчета УНЧ и исследование характеристик усилительного каскада напряжения на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ
НАЗНАЧЕНИЕ И ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Электронный усилитель – устройство, увеличивающее мощность (напряжение, ток) входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посредством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).
На рис. 7.1, а представлена структурная схема включения усилителя в цепь усиления электрического сигнала, где 1 - источник входного сигнала; 2 - усилитель; 3 - источник энергии; 4 - нагрузка. В качестве источников питания усилителя используют стабильные источники энергии постоянного тока. Источник входного сигнала (датчик) формирует изменяющееся во времени напряжение u вх (ток i вх) различной амплитуды, частоты и формы. Нагрузка усилителя – устройство, которое можно представить в виде линейного пассивного двухполюсника. Сам усилитель с парой входных и парой выходных зажимов иногда представляют в виде нелинейного четырехполюсника вследствие нелинейности характеристик входящих в него элементов.
Условное обозначение усилителей на схемах изображено на рис. 7.1, б. Напряжение входа u вх и напряжение выхода u вых измеряют относительно общего вывода. При упрощенном изображении усилителя в виде прямоугольника, на нем изображают только вход и выход (рис. 7.1, в), опуская выводы напряжения питания Un и общий вывод.
|
|
Важнейшим параметром усилителя является коэффициент усиления по мощности, равный отношению изменения мощности выходного сигнала к изменению мощности входного сигнала, т. е. Помимо коэффициента усиления по мощности вводят также коэффициент усиления по напряжению и коэффициент усиления по току Тогда коэффициент
Важнейшими характеристиками усилителя являются амплитудная и частотные. Амплитудная характеристика (рис. 7.2, а) – это зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного напряжения от амплитуды (или действующего значения) входного синусоидального напряжения, т. е. , где
Пунктиром показана амплитудная характеристика идеального усилителя. Отклонение реальной характеристики от идеальной объясняется наличием шумов и нелинейностями характеристик усилительных элементов при слабых и больших входных сигналах.
Динамическим диапазоном усилителя в децибелах называют отношение максимального значения входного напряжения к минимальному на линейном участке ab амплитудной характеристики (см. рис. 7.2, а):
|
|
.
Коэффициент усиления по напряжению на этом участке
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя – это зависимость коэффициента усиления, например, по напряжению Ku от частоты f входного сигнала, т. е. Ku(f) при .
Обычно АЧХ строят на двойной логарифмической сетке: по оси ординат откладывают значения Ku в децибелах, а по оси абсцисс – частоты в логарифмическом масштабе, однако около делений записывают значения частот без логарифма (рис. 7.2, б).
Полоса пропускания усилителя определяет диапазон частот D f (или D w), в пределах которого коэффициент усиления Ku (на средней частоте) не снижается ниже своего уровня, т. е. D f = f в - f н,где f в и f н – верхняя и нижняя частоты среза АЧХ усилителя.
Фазочастотная характеристика j(f) – это зависимость угла сдвига фаз j между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты (см. рис. 7.2, б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг j линейно зависит от частоты.
Входное и выходное сопротивления усилителя:
При сопротивлении нагрузки R н выходная мощность
УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Одним из наиболее распространённых усилителей на биполярных транзисторах является усилитель с общим эмиттером (ОЭ). В этом усилителе эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей (рис. 7.3, а). Входное напряжение u вх от источника сигнала Ec с внутренним сопротивлением Rc подаётся на усиливаемый каскад на биполярном транзисторе VT через конденсатор связи С1, предотвращающий прохождение постоянной составляющей тока от источника сигнала. Усиленное выходное напряжение подаётся на нагрузку R н через разделительный конденсатор С2, т. е. подаётся только переменная составляющая напряжения u вых.
|
|
В усилителе, кроме источника переменного сигнала, действует источник напряжения с ЭДС E 2 (обычно напряжение Un = 10…30 В) с внутренним сопротивлением R вт.Сопротивление резистора R К выбирают, исходя из требований усиления входных сигналов и ограничения тока коллектора I К транзистора VT. Обычно сопротивление RK составляет 0,2…5 кОм для транзисторов малой мощности и порядка 100 Ом для транзисторов средней мощности. Резисторы R Б1 и R Б2 делителя напряжения питания Un предназначены для установки тока базы I Б транзистора (по постоянному току), соответственно рабочей точки (точки покоя) на линии нагрузки.
|
|
С помощью резистора R Э создаётся обратная отрицательная связь усилителя по постоянному току, обеспечивающая температурную стабилизацию его режима усиления. Так, при увеличении температуры возрастают постоянные составляющие токов коллектора I К и эмиттера I Э и падение напряжения R Э I Э. В результате, напряжение U БЭ уменьшается, что вызывает уменьшение тока базы I Б, и, следовательно, тока I К, стабилизируя его.
Конденсатор C Э большой ёмкости (десятки микрофарад) шунтирует сопротивление резистора R Э по переменному току, что исключает ослабление усиливаемого сигнала по переменному току цепью обратной связи.
Для удобства анализа работы усилителя отдельно рассматривают его схемы замещения по постоянному (рис. 7.3, б) и переменному току (рис. 7.5). В режиме работы усилителя по постоянному току для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочую точку а (рис. 7.4) выбирают посередине рабочего участка bc линии нагрузки по постоянному току, описываемой уравнением
где .
Линию нагрузки строят следующим образом. Из приведенного уравнения следует, что при , а при .
Через две найденные точки проводят прямую (нагрузочную) линию. Задав ток базы в режиме покоя I Б n, находят на пересечении линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при I Б = I Бп точку покоя а(U К n, I К n).
Сопротивление резистора R Б1 рассчитывают по формуле
При этом U Б n » 0,3 В для германиевых и U Б n » 0,65 В для кремниевых транзисторов.
Приближенно токи покоя коллектора и эмиттера в рабочей точке а рассчитывают по формулам:
; .
Напряжение покоя эмиттера
Сопротивления ; , а ёмкость где f – частота входного напряжения u вх.
Ёмкости и
В режиме работы усилителя по переменному току принимают
,
пренебрегают также внутренним сопротивлением R вт и ёмкостью С n источника питания, т. е. источник питания в схеме замещения замыкают накоротко (рис. 7.5, а).
При подаче на вход усилителя переменного напряжения u вх происходит изменение тока базы i Б, тока коллектора i К и напряжения на коллекторе (см. рис. 7.4). Амплитуда переменного коллекторного тока ImK примерно в h21 раз больше амплитуды тока базы Im Б, а амплитуда коллекторного напряжения UmK во много раз больше амплитуды входного напряжения. Таким образом, в схеме усилителя с ОЭ усиливается ток и напряжение входного сигнала.
Пользуясь графиками, изображенными на рис. 7.4, нетрудно определить входное сопротивление и коэффициенты усиления каскада:
При этом положительному полупериоду входного напряжения u вх соответствует отрицательный полупериод выходного напряжения uK » u вых. Иначе говоря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°, т. е. схема усилителя с ОЭ является инвертирующим устройством, усиливающим и изменяющим фазу входного напряжения на 180°.
Обычно рассмотренный тип усилительного каскада работает в режиме усиления слабых сигналов (постоянные составляющие тока базы и коллектора существенно превосходят аналогичные переменные составляющие). Эти особенности позволяют использовать аналитические методы расчета параметров усилительного каскада на низких частотах по известным h-параметрам транзистора (рис. 7.5, б), полагая, что транзистор работает в линейном режиме. При этом сигнал, поданный на вход усилителя, практически не искажается (по форме) на его выходе.
Наличие в усилителе ёмкостей C1 и С2 (см. рис. 7.3, а) приводит к частотным искажениям усиливаемых сигналов в области нижних частот: с уменьшением частоты входного сигнала увеличивается сопротивление конденсатора , падение напряжения u С1 на нем, следовательно, снижается входное u вх и выходное u вых напряжения. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления Ku с уменьшением частоты (см. рис. 7.2, б), а наличие в усилителе междуэлектродных ёмкостей транзистора и монтажных ёмкостей приводит к возникновению частотных искажений усиливаемых сигналов в области высоких частот. С учётом ёмкости СК коллекторного p - n-перехода, условно включаемой между коллектором и базой, входное сопротивление каскада в области верхних частот
.
Входное сопротивление усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ обычно имеет значение порядка нескольких сотен ом. Выходное сопротивление обычно на порядок больше входного. При подключении к усилителю высокоомного источника сигнала ( ) и низкоомной нагрузки ( ) расчёт основных параметров усилителя проводят по следующим формулам:
; ;
; .
Реальный коэффициент усиления по напряжению Ku всегда меньше коэффициента усиления ненагруженного усилителя ( ). Это различие тем заметнее, чем больше выходное сопротивление усилителя и меньше сопротивление нагрузки R н. На практике реальный коэффициент усиления каскада Ku может достигать нескольких сотен, а коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ – нескольких тысяч.
Усилительные каскады на полевых транзисторах работают аналогично усилителям, собранным на биполярных транзисторах, если учесть, что управляющим сигналом усилителя на полевом транзисторе является напряжение затвора U З, а коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим истоком (с ОИ) при R д >> RC (R д - дифференциальное выходное сопротивление транзистора)
,
где S = D I С/D U З – крутизна стоко-затворной характеристики транзистора; R С и R И – сопротивления резисторов, включенных в цепи стока и истока транзистора усилителя.
Вследствие высокого входного сопротивления усилителей на полевых транзисторах можно использовать разделительный конденсатор С1 небольшой ёмкости.
Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 57; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!