Краткие теоретические сведения

Лабораторная работа №5

Тема: Исследование режимов работы усилителей на транзисторах по постоянному и переменному токам

 

Цель: Научить измерять режимы работы усилительных каскадов и производить оценку их влияния на параметры сигналов и коэффициенты усиления.

 

Оборудование: ПЭВМ, программа Electronics Workbench 5.12.

 

Краткие теоретические сведения

Устройство, предназначенное для увеличения мощности входных электри­ческих колебаний с сохранением их формы и частоты за счет использования энергии внешнего источника питания, называется электронным усилителем (усилителем). Минимальную часть усилителя, способную повышать мощность электрических колебаний, принято называть усилительным каскадом. Усили­тель может состоять из нескольких последовательно соединенных усилитель­ных каскадов, расположенных на одном полупроводниковом кристалле.

Структурная схема усилительного каскада (рисунок 1) содержит усилительный элемент, к входным зажимам которого подключен источник вход­ного сигнала Ег с внутренним сопротивлением Rг, а к выходным – нагрузка (как правило, активная) Rн.

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема усилительного каскада

 

Источником входного сигнала усилителя может быть предыдущий каскад, а нагрузкой – последующий каскад.

Усилительный каскад ОЭ. Полупроводниковая техника на дискретных (отдельных) компонентах содержит ряд вариантов выполнения усилительного каскада на транзисторе с ОЭ (усилительного каскада ОЭ). Принцип действия усилительных каскадов ОЭ рассмотрим на примере наи­более распространенной схемы рисунок 2. На входе каскада действуют уси­ливаемые переменные ток iвх и напряжение uвх, а на выходе – усиленные переменные ток iн и напряжение uвых (здесь и далее аргумент t у функций токов и напряжений для упрощения опущен).

В этой схеме усилительного каскада конденсаторы С1 и С2 – разделительные. Конденсатор С1 препятствует протеканию постоянного тока от ис­точника питания Ек в цепь источника входного сигнала. Конденсатор С2 обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей, поступающей на резистор нагрузки Rн. Резисторы базового делителя напряжения R1, R2 задают режим покоя транзистора, при котором в нем протекают только постоянные токи покоя базы Iбп, коллектора Iкп и эмиттера Iэп, а на его базе, коллекторе и эмиттере соответственно действуют постоян­ные напряжения покоя Uбп и Uэп.

 

 

 

Рисунок 2 – Схема усилительного каскада ОЭ

 

Резистор Rэ и делитель R1, R2 составляют цепь отрицательной обрат­ной связи (ООС), предназначенную для стабилизации режима покоя транзи­стора при изменении его температуры (для термостабилизации). Под об­ратной связью (ОС) понимают процесс передачи части выходного сигнала на вход усилительного каскада (теория обратной связи будет рассмотрена в следующих разделах).

Действие обратной связи объясняется следующим образом. При увеличении, например, из-за роста температуры тока коллектора покоя Iкп возрас­тают ток эмиттера покоя Iэп и падение напряжения на резисторе Rэ, посколь­ку Uэп = IэпRэ. Так как напряжение между базой и землей (база-земля) Uбп – фиксировано базовым делителем R1, R2, и Uбп = Uбэп + Uэп, то с увеличением напряжения Uэп уменьшается напряжение Uбэп. Это приводит к призакрыванию транзистора, уменьшению тока базы покоя Iбп и, следовательно, сниже­нию тока коллектора покоя Iкп. Тем самым производится компенсация пер­воначального увеличения тока коллектора покоя.

Включение резистора Rэ, в цепь эмиттера изменяет работу каскада и при усилении переменного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на рези­сторе Rэ падение напряжения uэ = iэRэ, которое уменьшает усиливаемое на­пряжение, подводимое к базе транзистора, ведь uбэ = uвх – uэ. При этом сни­жается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по переменному току. Для ее исключения резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ достаточно большой емкости. Поскольку сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает падения напряжения на резисторе Rэ.

В режиме покоя транзистора расчет параметров каскада по постоянному току (т.е. при отключенном входном сигнале) проводят графоаналитическим методом с использованием статических выходных и входных ВАХ транзи­стора (рисунок 3). Этот метод очень нагляден и удобен при нахождении связи параметров режима покоя каскада (Uкп и Iкп) с амплитудными значениями его переменных составляющих – выходного напряжения Uвыхm и коллек­торного тока Iкm.

(1)
При расчетах каскада ОЭ на выходных характеристиках транзистора (рисунок 3, а) проводят линию нагрузки по постоянному току (линия 1-2), положение которой определяется вторым законом Кирхгофа для коллектор­ной цепи каскада:

Ек = Uкп + Iкп (Rк + Rэ).

Данную линию можно провести из точки Ек под углом g = arcctg(Rк + Rэ) (рисунок 3, а), на практике же ее строят по двум точкам, характеризующим режимы холостого хода (точка 1) и короткого замыкания (точка 2) в коллекторной цепи транзистора. Для точки 1: ток и напряжение холостого хода Iкх = 0, Uкх = Ек; для точки 2: напряжение и ток короткого замыкания Uкз = 0; Iкз = Ек/(Rк + Rэ).

При расчетах любые значения тока Iкп и напряжения Uкп определяются точками пересечений (рабочими точками) выходных характеристик с лини­ей нагрузки по постоянному току. Одна из этих точек, полученная для за­данного тока базы покоя Iбп, называется точкой покоя и обозначается бук­вой П (рисунок 3, а). Используя координаты точки покоя П, можно опреде­лить ток коллектора покоя Iкп напряжение коллектора покоя Uкп и падение напряжения на резисторе Rк, равное URк = IкпRк. Отметим, что транзистор работает в этом случае в активном режиме.

(2)
Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режи­ме усиления (с подключенными входным сигналом и нагрузкой) используют линию нагрузки по переменному току (динамическую линию нагрузки). Если учесть, что сопротивления источника питания Ек и конденсатора С2 по переменному току малы, то сопротивление нагрузки по переменному току будет определяться параллельно включенными резисторами Rк и Rн:

Rкн = RкRн/( Rк + Rн).

 

Рисунок 3 – Графический анализ работы каскада ОЭ с помощью

характеристик транзистора: а – выходных; б – входной

 

Поскольку в режиме усиления входного сигнала токи в напряжения транзистора состоят из суммы постоянных и переменных составляющих, то линия нагрузки по переменному току тоже пройдет через точку покоя П. И поскольку Rкн < Rк, то линия будет находиться под углом gн = arcctgRкн, большим, чем угол g. Для ее построения на оси абсцисс отмечают точку 3, где формально напряжение равно сумме Uкн + IкпRкн, и через нее и точку Ппроводят прямую (штриховая линия 3–4 на рисунке 3, а).

С целью упрощения расчетов принцип действия каскада ОЭ рассмотрим при отключенной нагрузке Rн (режим холостого хода по переменному току). При подаче на вход каскада переменного напряжения uвх переменный ток базы iб будет изменяться в соответствии с входной характеристикой (рисунок 3, б). Одновременно с этим и по такому же закону станет менять свои значения переменный ток коллектора. Так, например, при увеличении ам­плитуды входного напряжения возрастет ток базы iб. Поскольку ток коллек­тора iк = h21iб (h21 составляет 50...75), то он тоже возрастет. В результате уве­личивается падение переменного напряжения на резисторе Rк (ведь URк = iкRк), а переменное напряжение на коллекторе uкэ = uвых = Ек – iкRк уменьшается. При уменьшении же входного напряжения картина меняется на обратную. Из проведенного анализа следует, что каскад ОЭ наряду с усилением мощ­ности изменяет фазу входного сигнала на 180° (рисунок 3).

Точно таким же образом работает схема и при подключении нагрузки Rн, однако переменный коллекторный ток при этом распределяется между резисторами Rк и Rн, что естественно снижает усиление.

При использовании каскада ОЭ для усиления мощности необходимо учитывать параметры предельно допустимых режимов работы транзисто­ра. Таких параметров три и они строятся на выходных характеристиках (рисунок 3, а). Кривая допустимой мощности рассеяния строится по формуле Ркдоп = UкэIк и представляет собой гиперболу, а линии допустимых коллек­торного тока Iкдоп и напряжения коллектор-эмиттер (Uкдоп — прямые, парал­лельные осям координат.

 


Рисунок 4 – Эквивалентная схема каскада ОЭ

 

В целях исключения иска­жений формы выходного сигнала необходимо обеспечить такой режим работы транзистора, что­бы рабочая точка, перемещаясь по линии нагрузки, не выходила за пределы напряжения насыщения (∆Uнас =0,3...0,7 В).

Основные показатели уси­лительного каскада ОЭ обычно рассчитывают с помощью h-naраметров транзистора, исполь­зуя эквивалентную схему каскада ОЭ (рисунок 4), основой которой является схема замещения транзистора (обведена штриховой линией). В упрощенной схеме замещения транзистор формально представляется активным линей­ным четырехполюсником, на входе которого действуют напряжение Uвх и ток Iвх, а на выходе – напряжение Uвых и ток Iн.

Указанные величины представлены действующими значениями, связанными с известными амплитудными формулами: ,

В схеме резистор h11 отражает входное сопротивление, эквивалентный гене­ратор тока h11Iб – усилительные свойства, а сопротивление 1/ h22 – величину, обратную выходной проводимости транзистора. Отметим, что в эквива­лентной схеме не показаны конденсаторы и источник питания, так как их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому резисторы Rки Rн включены непосредственно между эмиттером и коллектором. Сопротивление Rб = R1 R2 показывает наличие базового делителя, резисторы R1, R2 которого по переменному току соединены параллельно. Формулы для расче­та сопротивлений R1 и R2 нетрудно получить из схемы рисунка 4.

(3)
; .

(4)
Входное сопротивление каскада при Rб >>h11:

Rвх = Uвх/Iвх = Rбh11/(Rб + h11) » h11.

Выходное сопротивление с учетом неравенства Rк << 1/ h22

(5)
.

Коэффициент усиления по напряжению:

(6)
.

(7)
Коэффициент усиления по току:

KI = Iн/Iвх » Iк/Iб » h21.

 

Ход работы:

2.1 Запустил программу Electronics Workbench 5.12.

2.2 С помощью программы открыл схему электрического принципиальную резистивного усилителя, собранного на транзисторе по схеме с ОЭ n-p-n типа. Назначение элементов и принцип работы усилителя изложены в теоретических сведениях.

Для этого необходимо нажать File -> Open-> диск: М -> Радиотехническое отделение -> Основы электроники и микроэлектроники -> Лабораторная работа №5 и в левой части появившегося окна выбрать файл под названием «Усилитель.ewb».

мулитиметр
1 2
 
Осциллограф

 

 

Рисунок 5 – Принципиальная схему усилителя

 

2.3 К выходам «Генератора» (точки 1 и 2) необходимо подключить канал А осциллографа (выходы 1 и 4). Второй канал осциллографа(выходы 2 и 3) подключить к выходу усилителя (точки 9 и 10).

Для того, чтобы соединить элементы необходимо подвести указатель мыши к одному из выводов и когда он примет форму жирной точки нажать на левую клавишу мыши и с зажатой клавишей соединить линию с соответствующей точкой схемы.

2.4 Задать амплитуду колебаний генератора в соответствии с таблицей 1.

Для этого: двойным щелчком левой клавиши мыши нажать по изображению генератора и в соответствующем окне установить требуемую амплитуду колебаний.

 

Таблица 1

№ вар.
Uг,(мВ) 9,4

2.5 Включил схему(запустить программу) с помощью кнопки на верхней панели и через 2-3 секунды нажать кнопку .

2.6 С помощью осциллографа убедиться в том, что сигнал на выходе усилителя является синусоидальным и противофазным входному.

Противофазность двух колебаний означает, что в один и тот же момент времени наблюдается максимум одного колебания и минимум другого.

Для этого необходимо открыть осциллограф двойным нажатием левой клавиши мыши на него. В появившемся окне, при необходимости, нажать «Expand» для получения расширенного вида.

Рисунок 6 – экран осциллографа

В нижней части окна осциллографа необходимо изменить масштаб так, чтобы чётко были видны колебания. С помощью полосы прокрутки можно более подробно рассмотреть колебание.

Масштаб: Time base – 0.05 ms/div, Y/T;

Trigger – Auto;

Channel A – 50 mV/Div; Y position – 2,4; AC;

Channel B – 2 V/Div; Y position – 0; AC

С помощью кнопки “Reduce” (в правом нижнем углу окна осциллографа) можно уменьшить окно осциллографа, вернуть в исходное положение кнопкой «Expand». С помощью кнопки «Reverse» можно изменить цвет экрана осциллографа на чёрный.

2.7Измерить коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Для этого необходимо измерить амплитуду входного гармонического сигнала (канал А – верхняя осциллограмма) и выходного гармонического колебания (канал В – нижняя осциллограмма).

Для измерения амплитуды необходимо воспользоваться флажками 1(красный цвет) и 2(синий(желтый) цвет), размещёнными в верхней части осциллографа. Флажки подводятся к максимальным значениям входного и выходного сигналов(например: красный - к максимуму входного, а синий(желтый) - к максимуму выходного) и в окнах VA1(напряжение канала А для первого флажка) и VA2(напряжение канала В для второго флажка), расположенных под экраном осциллографа, отображается значение амплитуд сигналов.

Тогда коэффициент усиления по напряжению определяется из выражения:

Ku= .

2.8 Измерить период гармонических колебаний.

Для этого необходимо подвести флажки 1 и 2 к соседним максимумам входного или выходного гармонического сигналов и в окне Т2 – Т1 определить результат. Сравнить результат с масштабом развёртки осциллографа по времени (окно «Time base») и с частотой колебаний генератора (f=1/T).

2.9 Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

Ku T f
11.4 100.000 0.001

Ku= VB2 \ VA1

F = 1 \ T

2.10Исследовал работу усилителя в статическом режиме. Измерил потенциалы всех узловых точек усилителя, а именно (см. рисунок 5): точки 1 и 4(Uвх), 3 и 4(Uб), 6 и 4(Uк), 5 и 4(Uэ), 7 и 4(Ек), 9 и 4(Uвых), а также напряжения между точками: Uбэ(3-5), Uкэ(6-5), URк (7-6). Uбк(3-6).

Для этого отключить генератор, установив напряжение на выходе генератора равное 0, убедиться в отсутствии входного и выходного сигналов на осциллографе, переключив кнопку запуска программы.

Для того, чтобы установить напряжение генератора, равное 0, необходимо двойным нажатием левой клавиши мыши на генератор открыть окно редактирования параметров и в соответствующей графе установить необходимое значение напряжения.

Следует заметить, что потенциал – это напряжение меду точной электрической цепи и точкой, потенциал которой условно принимают за нулевой( - схемная земля), а напряжение – это разность потенциалов(см. рисунок 2 кратких теоретических сведений).

Для измерения потенциалов и напряжений необходимо воспользоваться мультиметром, изображенным на рисунке 5 методических указаний и на схеме «Усилитель.ewb» программы «Electrinics Workbwench».

Двойным нажатием левой клавиши мыши нажать на изображение мультиметра и при необходимости перевести его в режим измерения постоянного напряжения.

 

 

Рисунок 7 – мультиметр

 

Подключить с соблюдением полярности мультиметр к соответствующим точкам усилителя. Далее запустить программу переключателем и через 2-3 секунды нажать .

Результаты измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3

Uбп Uкп Uэп Екп Uвых Uвх Uбэп Uкэп URКп Uбкп
0.4405 14.54 0.0779 0.3626 14.46 0.4627 -14.1

 

Убедиться:

а) что напряжение – это разность потенциалов:

Uбэ = Uб – Uэ =0.4405-0.0779=0.3626

Uкэ = Uк – Uэ =14.54-0.0779=14.46

Uбк = Uб – Uк =0.4405-14.54=-14.1

б) что напряжение

Ек = URКп + Uкэп + Uэп =0.4627+14.46+0.3626=15.29

 

2.11 Измерить постоянные токи покоя базы Iбп, эмиттера Iэп, коллектора Iкп, делителя Iд в статическом режиме(см. рисунок 2 кратких теоретических сведений).

2.12Результаты измерений занести в таблицу 4.

Таблица 4

Iб0 Iк0 Iэ0 Iд
0.672 0.984 1.65 1.46

 

Убедиться, что ток Iэп = Iкп + Iбп, т.е Iэп = Iкп + Iбп =0.984+0.672=1.65

2.13 Исследовать работу усилителя в динамическом режиме.

Установить амплитуду напряжения генератора в соответствии с таблицей 1. Вывод 1 осциллографа поочередно подключить к выходу генератора, базе и коллектору транзистора и при необходимости изменять масштаб. Убедиться, что напряжение на базе совпадает с входным напряжением, а напряжение на коллекторе транзистора совпадает с выходным напряжением усилителя. Для наблюдения коллекторного напряжения необходимо установить масштаб: Channel A – 2V/Div, Y position – 1,40.

Зарисовать осциллограммы напряжений в этих точках, с учетом статического режима работы усилителя, одна под другой(учесть потенциалы точек Uвх, Uбп, Uкп).

После измерения выход 1 осциллографа соединить с входом генератора, масштаб вернуть в исходное положение: 50мV/Div, Y possition – 2.40.

Рисунок 10 – осциллограммы напряжений Uвх(черный) и Uб(красный)

Рисунок 11 – осциллограммы напряжений Uвых(черный) и Uк(красный)

 

2.14 Исследовать влияние нагрузки на работу усилителя.

Для этого необходимо обеспечить режим холостого хода (Rн =∞), короткого замыкания (Rн ≈0 Ом), установить Rн = 500 Ом, 15кОм, 100кОм. При каждом значении Rн измерять амплитуды выходного напряжения. При необходимости изменять масштаб осциллографа V/Div. Результат измерений занести в таблицу5.

Таблица 5

Rн 0,1 Ом 500 Ом 15 кОм 100кОм ∞
Umвых 0.0405 мВ 98.13 мВ 185.09 мВ 189.16 мВ 190.05 мВ

 

2.15 Сделать вывод по полученным данным.

3 Отчет должен содержать:

3.1 Тему и цель работы.

3.2 Перечень используемого оборудования.

3.3 Ход работы.

3.4 Таблицы с результатами экспериментов и рисунки.

3.5 Осциллограммы напряжений.

3.6 Выводы.

3.7 Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

4.1 Назначение усилителя напряжения?

4.2 Какие параметры усилителей вы знаете?

4.3 Какие режимы работы усилительных каскадов вы знаете и когда они применяются?

4.4 Определите назначение каждого элемента в исследуемой схеме?

4.5 Для чего применяются отрицательные обратные связи в усилителях напряжения?