Описание схемы исследуемого устройства

Лабораторная работа № 1

Исследование усилителей сигналов

На биполярных транзисторах

 

Цель работы: исследование параметров усилителей сигналов переменного тока в зависимости от схемы включения биполярных транзисторов и начального смещения, задаваемого на базе, эмиттере и коллекторе транзисторов.

 

Описание схемы исследуемого устройства

В лабораторной работе исследуются усилители сигналов на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером ОЭ, с общей базой ОБ и общим коллектором ОК (рисунок, а – в).

Расчет схем таких усилителей осуществляется в 2 этапа и включает расчет по постоянному и переменному токам.

Расчет по постоянному току. Расчет позволяет задать исходные смещения на базе, эмиттере и коллекторе транзисторов с помощью резисторов, благодаря чему транзистор работает как регулируемый генератор тока и обеспечивает усиление по току и напряжению.

Рассмотрим пример расчета по постоянному току схемы с общим эмиттером.

Для реализации усилительных свойств эмиттерный p-n-переход биполярного транзистора должен быть смещен прямо, а коллекторный p-n-переход – обратно. Следовательно, при использовании транзистора n-p-n-типа потенциал базы должен быть выше потенциала эмиттера на величину смещения эмиттерного p-n-перехода (порядка 0,2…0,5 В), а потенциал коллектора – соответственно на величину смещения коллекторного p-n-перехода (порядка 0,3…0,7 от уровня ). Задание потенциала базы обеспечивается с помощью потенциометрического делителя напряжения на сопротивлениях и : = / ( + ).

Для снижения шунтирующего действия сопротивлений и на источник сигнала необходимо, чтобы и были значительно меньше сопротивления источника сигнала . Ток делителя = / ( + )в


Функциональные электрические схемы усилителей:

а – с ОЭ; б – с ОБ; в – с ОК


3…5 раз должен превышать задаваемый ток базы транзистора.

Потенциалы эмиттера и коллектора будут зависеть от тока базы и определяются соотношениями:

= - = ;

= + = - ,

где токи эмиттера и коллектора равны соответственно = (b +1) ,

= b ;b - статический коэффициент усиления тока базы.

При значительных уровнях входного сигнала для эффективного использования динамического диапазона изменения выходного сигнала целесообразно задать напряжение смещения = 0,5 .

Расчет по постоянному току усилителей на транзисторах, включенных по схемам с ОБ и ОК, осуществляется аналогичным образом.

Расчет по переменному току. На этом этапе определяются номиналы элементов схемы, влияющих на работу усилителей по переменному току, т. е. при усилении сигналов, а также рассчитываются параметры усилителя.

Основными параметрами усилителя являются коэффициенты усиления по напряжению , по току , мощности , входное и выходное сопротивления. Соотношения для определения этих параметров при различных схемах включения транзисторов приведены в таблице, где – динамическое сопротивление базы транзистора; и – динамические сопротивления эмиттерного и коллекторного p-n-переходов; = j/ =

= 26 мВ/ ; ® µ; a – динамический коэффициент передачи тока эмиттера; b – динамический коэффициент усиления тока базы; j – фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Сравнивая различные схемы включения биполярных транзисторов в усилителе можно отметить, что наибольшим входным и наименьшим выходным сопротивлением обладает схема с ОК, наименьшее входное сопротивление обеспечивает схема с ОБ, а наибольшие коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности можно получить, используя схему с ОЭ.

При расчете усилителей необходимо выполнить требование по согласованию источника сигнала с нагрузкой. Оно заключается в том, что для максимального отбора сигнала от источника на нагрузку сопротивление нагрузки должно быть значительно больше сопротивления источника сигнала.


 

Параметр усилителя Схема включения транзистора
ОЭ ОБ ОК
b [ || ] / [ + + (b + 1)( + )] a [ || ] / [ (1 – a) + ] (b + 1)[ || ] / [ + + (b + 1)( + || )]
b / ( + ) a / ( + ) (b + 1) / ( + )
+ (b + 1)( + ) (1 – a) + + (b + 1)( + || )
|| || ||
|| » || » + ( + ) / (b + 1)
j 180°

 


Для источника сигнала нагрузкой является усилитель, а ток, протекающий через , будет определяться как значением сопротивления , так и полным входным сопротивлением усилителя . Его можно вычислить, зная сопротивление базового делителя и входное сопротивление :

= || ; = || .

Для усилителя, который сам является источником сигнала, нагрузкой будет . Поэтому для достижения максимального усиления сигнала и передачи его на нагрузку сопротивление должно быть значительно больше выходного сопротивления усилителя.

Конденсаторы и обеспечивают развязку цепей источника сигнала и нагрузки по постоянному и переменному токам, т. е. они исключают влияние источника сигнала и нагрузки при их подключении на исходное смещение транзистора. Их номиналы рассчитываются в соответствии со следующими соотношениями:

для схемы с ОЭ

³ 1/[ ( + )]; ³ 1/[ ( + )]; ³ 1/( );

для схемы с ОБ

³ 1/[ ( + )]; ³ 1/[ ( + )]; ³ 1/( );

для схемы с ОК

³ 1/[ ( + )]; ³ 1/ [ ( + )],

где – нижняя граница частотного диапазона работы усилителя.

Конденсатор в схеме с ОЭ позволяет задать необходимую глубину отрицательной обратной связи. Он снижает влияние сопротивления на коэффициент усиления по напряжению. Возможно подключение к части сопротивления ( = + ). При этом коэффициент усиления будет определяться частью сопротивления , которая не шунтируется конденсатором : = b [ || ] / [ + (b + 1)( + )].

 

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать на макетном поле усилитель переменного сигнала на биполярных транзисторах, включенных по схемам с ОЭ, ОБ и ОК.

2. Изменяя номиналы сопротивлений базового делителя и с помощью вольтметра замерить потенциалы на базе, эмиттере и коллекторе транзисторов. Выявить зависимость между напряжением смещения и . Путем изменения номинала сопротивления установить его влияние на .

3. Подключить генератор сигналов низкой частоты к входу усилителя, установить уровень входного сигнала = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 В. Замерить амплитуду сигнала на выходе усилителя. В режиме внешней синхронизации осциллографа сравнить фазу входного и выходного сигналов.

4. Подключить последовательно к входу усилителя сигналов эталонное сопротивление = 10 кОм и при уровне сигнала на выходе генератора сигналов = 0,1 В замерить амплитуду сигнала на выходе усилителя. Повторить измерения при сопротивлении = 100 кОм. Рассчитать входное сопротивление усилителя по формуле

= /( – ),

где и – выходные сигналы без и с подключением эталонного сопротивления.

5. Подключить генератор сигналов к входу усилителя и подать сигнал с амплитудой = 0,1 В. Замерить уровень выходного сигнала. Подключить последовательно нагрузке усилителя эталонное сопротивление =

= 10 кОм. Замерить уровень сигнала на нагрузке. Вычислить выходное сопротивление усилителя по формуле

= [ + ( – )] / ( – ),

где и – выходные напряжения соответственно без и с последовательно включенным сопротивлением .

 

Содержание отчета

 

1. Функциональные схемы собранных усилителей с использованием биполярных транзисторов p-n-p- и n-p-n-типов с указанием номиналов всех элементов схемы.

2. Таблица потенциалов исходного смещения базы, эмиттера и коллектора транзисторов для всех усилителей.

3. Таблица выходных напряжений для уровней входного сигнала =

= 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 0,6 и 0,7 В и соответствующих им экспериментально полученных значений коэффициентов усиления сигналов по напряжению.

4. Временные диаграммы сигналов на базе, эмиттере и коллекторе транзисторов.

5. Расчет коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности, входного и выходного сопротивлений усилителей для исследуемых схем включения транзисторов.

6. Расчет входных и выходных сопротивлений усилителей по результатам экспериментальных исследований.

7. Сравнительный анализ свойств усилителей на биполярных транзисторах, включенных по схемам с ОЭ, ОБ, ОК.

 

Контрольные вопросы

 

1. В чем заключается сущность расчета усилителя по постоянному и переменному токам?

2. Какие элементы схемы влияют на исходное смещение транзистора?

3. Какие элементы схемы влияют на параметры усилителя по переменному току?

4. Зачем используются разделительные конденсаторы в усилителях, конденсатор в эмиттерной цепи схемы с ОЭ, конденсатор в цепи базы в схеме с ОБ?

5. Перечислите пути повышения входного сопротивления и снижения выходного сопротивления усилителей.

6. Перечислите пути повышения коэффициентов усиления по напряжению и току.

7. Как сказывается на параметрах усилителя увеличение (снижение) напряжения питания ?

8. Перечислите пути расширения амплитудного диапазона усиления сигнала.

9. Перечислите пути расширения частотного диапазона усиления сигнала.

10. В чем различие между расчетами многокаскадных усилителей переменного и постоянного тока?

Лабораторная работа № 2