Краткие теоретические сведения

Цель работы

Изучение принципа работы и исследование характеристик и параметров уси­лительного каскада на биполярном транзисторе.

Краткие теоретические сведения

Усилитель - это электронное устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала за счёт потребления энергии источников питания. В общем случае усилитель, содержит несколько каскадов усиления.

В зависимости от схемы включения БТ усилительные каскады делятся на схе­мы с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

К основным параметрам усилительных каскадов относятся:

- коэффициент усиления по напряжению К_U = U_ВЫХ/U_ВХ, где U_ВХ и U_ВХ соответ­ственно действующие значения входного и выходного напряжений;

- коэффициент усиления по току К_I =I_ВЫХ/I_ВХ, где I_ВЫХ и I_ВХ, соответственно дей­ствующие значения входного и выходного токов;

- коэффициент усиления по мощности К_Р = Р_ВЫХ/Р_ВХ,где Р_ВЫХ и Р_ВХ соответст­венно входная и выходная мощности сигнала;

- входное сопротивление, т. е. сопротивление между входными зажимами усили­теля для переменного входного токаR_ВХ=DU_ВХ/DI_ВХ, гдеDU_ВХ и DI_ВХ соответ­ственно приращения входного напряжения и вызванного им приращения входного тока;

- выходное сопротивление, т. е. сопротивление между выходными зажимами усилителя для переменного выходного тока при отключённом сопротивлении нагрузки R_ВЫХ=DU_ВЫХ/DI_ВЫХ , где DU_ВЫХ и DI_ВЫХ соответственно приращения вы­ходного напряжения и выходного тока;

- коэффициент полезного действия усилителя h=Р_Н/P_П, представляющий собой отношение мощности Р_Н, поступающей в нагрузку, к мощности Р_П, потребляемой от источника питания.

К основным характеристикам усилителя относятся амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики.

Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов и зависимости пара­метров транзистора, как усилительного элемента, от частоты входного сигнала, ко­эффициент усиления усилителя имеет различные значения на разных частотах (рисунок 1а), что приводит к появлению частотных искажений сигнала. Для оценки их величины вводится параметр, называемый коэффициентом частотных искажений и определяющийся соотношение M(w)=K_U0/K_U(w), где К_U0 - коэффициент усиления на средних частотах, а К_U(w)- коэффициент усиления на данной частоте . Частоты, на которых коэффициент усиления достигает предельно допустимого (граничного) значения K_U(w_ГР)=K_U0/ , называются нижней w_Н.ГР и верхней w_В.ГР граничными частотами, а их разность Dw₌w_В.ГР- - w_Н.ГР - полосой пропускания усилителя. Зависимость фазового сдвига j(w) между фазами входного и выходного сигналов от частоты w называется ФЧХ и, обычно, для одного каскада имеет вид, показанный на рисунке 1б.

 

а)

 

	б)

 

Рисунок 1 - АЧХ и ФЧХ усилителя

 

Амплитудная характеристика усилителя - это зависимость амплитуды выход­ного сигнала U_{вых m} от амплитуды входного сигнала U_{вх m} на некоторой постоянной частоте в области средних частот (рисунок 2). Амплитудная характеристика идеаль­ного усилителя представляет прямую линию, проходящую через начало координат, а амплитудная характеристика реального усилителя совпадает с характеристикой идеального только на некотором участке EF (рисунок 2) .

 

Рисунок 2 - Амплитудная характеристика усилителя

 

При больших входных сигналах U_{вх m} > U_{вх m max}, выходное напряжение усилилителя перестаёт возрастать, что обуславливается нелинейными свойствами БТ. При этом выходной сигнал искажается. Это явление называется нелинейными искаже­ниями и оценивается коэффициентом гармоник

	1(1)

где Рn - мощность n-ой гармонической составляющей выходного сигнала; P₁ - мощность 1-ой гармоники. Если нагрузка усилителя активная, то коэффициент гармоник принимает вид

 

1(2)

 

 

При малых входных сигналах U_{вх m}< U_{вх m min} выходное напряжение усилителя остаётся практически постоянным и равным U_{вх m min}. Напряжение U_{вх m} называ­ется напряжением собственных шумов усилителя. Собственные шумы усилителя обусловлены различными помехами и наводками, а также непостоянством электри­ческих процессов во времени. С помощью усилителя невозможно усиливать сигна­лы с амплитудой U_{вх m} < U_{вх m min,} поскольку усиленный сигнал не может быть обнаружен в собственных шумах усилителя. Отношение U_{вх m max}/ U_{вх m min}= D на­зывается динамическим диапазоном усилителя (обычно выражается в децибелах: D[Дб] = 20lgD).

Наиболее распространённая схема усилительного каскада на БТ с ОЭ показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема усилительного каскада с ОЭ

 

Входное усиливаемое переменное напряжение U_вх , определяемое источником входного сигнала с действующим значением ЭДС Е_И и внутренним противлением R_ВН, подводится ко входу усилителя через разделительный конденса­тор С_р1, разделяющий источник входного сигнала и базовый вход усилителя по постоянному току, чтобы исключить нарушение начального режима работы транзи­стора VT. Усиленное переменное напряжение, выделяемое между коллектором транзистора VT и общей точкой схемы, подводится к внешней нагрузке с сопротив­лением R_H через разделительный конденсатор С_р2. Этот конденсатор служит для разделения выходной (коллекторной) цепи транзистора и внешней нагрузки по по­стоянной составляющей коллекторного тока I_ок . Значения I_ок и других постоянных составляющих токов и напряжений в цепях транзистора зависят от режима его рабо­ты по постоянному току (начального положения рабочей точки Р₀), как показано на рисунке 4.

 

Рисунок 4 - Выходные и входная характеристики БТ

 

При отсутствии входного переменного сигнала, в цепи коллектора БТ протекает постоянный ток I_ок, значение которого зависит от напряжения источника питания Е_к, сопротивления резисторов R_к, R_э и постоянного тока в цепи базы I_об. Для режима покоя (начального режима) в схеме выполняется баланс напряжений:

	(3)

 

(4)

Решив уравнение (3) относительно I_ок, получим динамическую характеристику БТ по постоянному току (статическую нагрузочную прямую):

где R_кз = R_к +R_{з .}

Выражение (4) представляет собой уравнение прямой линии, проходящей через точки с координатами (Е_к;0); (0; ) и угловым коэффициентом tga= (рисунок 4)

Усилительные каскады могут работать в одном из режимов: А, В, С, АВ, оп­ределяемых начальным положением _{рабочей} точки при отсутствии входного пере­менного сигнала. Это положение определяется на характеристиках транзистора (рисунок 4) совокупностью постоянных составляющих токов и напряжений: на вы­ходной характеристике – I_ок, U_окэ и входной характеристике - I_o6 , U_{о бэ}, При работе БТ в активном (усилительном) режиме (класс А), начальное положение рабочей точки должно быть таким, чтобы ток через активный элемент БТ протекал в течении всего периода изменения входного сигнала, а амплитудное значение выходного тока I_km не превышало начального тока I_oк. Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R₁, и R₂ (рисунок 3), зна­чения которых определяются соотношениями

; ,

 

где I_дел=(2..5)I_0б - ток в цепи делителя, U_Rэ для каскадов предварительного усиления уберётся равным (0,1 .. 0,25) Е_к.

При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить тем­пературную стабилизацию положения рабочей точки (уменьшить влияние темпера­туры на начальное положение рабочей точки). С этой целью в эмиттерную цепь введён резистор Rэ, на котором создаётся напряжение отрицательной обратной связи ООС по постоянному току U_Rэ,. Для устранения ООС по переменному току при на­личии входного переменного сигнала, резистор шунтируют конденсатором С_э со­противление которого на частоте улавливаемого сигнала должно быть не значительным ( ).

При включении на вход усилителя источника сигнала с эдс Е_и на базе транзистора появляется синусоидальное напряжение U_вх, которое изменяет начальное напряжение U_06э. Под влиянием напряжения U_вх, в цепи базы появляется переменная составляющая тока i_б~, которая вызывает появление переменной составляющей тока в цепи коллектора i_к~=h_21Э i_б~.

При наличии на входе усилительного каскада сопротивления нагрузки R_Н (ри­сунок 3), переменная составляющая тока коллектора распределяется между R_K и R_H, которые для переменного тока включены параллельно (внутреннее сопротивле­ние источника питания Е_к считаем равным нулю). Динамическая характеристика по переменному току представляет собой прямую линию, проходящую через точку Р₀ (рисунок 4) с угловым коэффициентом tg α_~ = 1/R¢_Н, где R¢_Н=R_КR_Н/(R_К+R_Н). При R_Н= ∞ динамические характеристики по переменному и постоянному току совпада­ют. Следует обратить внимание на то, что напряжение на выходе усилительного каскада с ОЭ находится в противофазе с напряжением на его входе.

Аналитический расчёт коэффициентов усиления по току, напряжению и мощ­ности, а также входного и выходного сопротивлений однокаскадных усилителей производится по эквивалентным схемам для переменных составляющих токов и напряжений для различных диапазонов частот входного сигнала: низких, средних и высоких.

В области низких частот (ω< ω_н.гр) на работу усилителя оказывают влияние разделительные С_р1, С_р2 и эмиттерный С_э конденсаторы. Влияние разделительных конденсаторов заключается в том, что при понижении частоты входного сигнала увеличиваются емкостные сопротивления конденсаторов Х_Ср, появляются падения напряжений на этих сопротивлениях от токов, протекающих во входной и выходной цепях, за счёт чего понижается напряжение U_бэ, между базой и эмиттером при E_и=const, а, следовательно, и напряжение на нагрузке U_вых. Таким образом наличие разделительных конденсаторов приводит к снижению коэффициента усиления в об­ласти низких частот.

Влияние конденсатора С_э заключается в том, что при снижении частоты и росте Х_Сэ сильнее проявляется действие напряжения отрицательной обратной связи U_Rэ, по переменному току. Напряжение становится соизмеримым с напряжением U_вх, что приводит к уменьшению напряжения U_бэ, а, следовательно, и к снижению коэффициента усиления каскада.

В области высоких частот (ω>ω_в.гр) проявляется зависимость коэффициента усиления тока транзистора от частоты, а также оказывают влияние ёмкость коллек­торного перехода транзистора С_к, включённая параллельно дифференциальному сопротивлению коллекторного перехода r_к, ёмкость эмиттерного перехода С_эп, включённая параллельно сопротивлению нагрузки R_Н и учитывающая ёмкость нагрузки и паразитную ёмкость схемы усилителя [2,4]. Влияние указанных ёмкостей приводит к уменьшению переменной составляющей тока, протекающего через сопротивление R_Н и к уменьшению напряжения Uвых

В области средних частот (ω_н.гр ≤ ω ≤ω_в.гр) ёмкостные сопротивления Хс_р и Хс_Э, малы и ими можно пренебречь, а емкостные сопротивления Хс_к, Хс_эп, Х_Со достаточ­но велики и не оказывают существенного влияния на работу усилителя, поэтому ко­эффициент усиления тока БТ изменяется незначительно и, следовательно, в этом частотном диапазоне K_U(ω) ≈ K_Uo = const. Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для диапазона средних частот приведена на рисунке 5. Большое число электронных устройств автоматики и систем управления работает в диапазоне средних частот (сотни герц - сотни килогерц), а схема с ОЭ используется наиболее часто, поэтому она выбрана в качестве основной при исследовании усилителей.

Рисунок 5 - Эквивалентная схема усилителя с ОЭ в области средних частот

Используя эквивалентную схему, приведённую на рисунке 5, определим ос­новные параметры усилительного каскада [4]. Входное сопротивление

 

(6)

,

(7)

где

,

(8)

.

Здесь r_б - объёмное сопротивление базы активного характера, h_21э, - коэффи­циент усиления по току БТ в схеме с ОЭ, r_э - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Коэффициент усиления напряжения

	(9)

,

где

(10)

,

	(11)

.

Здесь h21б - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общей ба­зой.

Коэффициент усиления каскада по току

(12)

Используя соотношения (8) и (9) выражение (12) преобразуем к виду

 

(13)

(14)

Дифференциальное коллекторное сопротивление транзистора в схеме с общим коллектором

,

где r_к - дифференциальное коллекторное сопротивление транзистора в схеме с об­щей базой.

Коэффициент усиления мощности

(15)

.

Здесь U_вых , U_вх - действующие значения, соответственно, выходного и входно­го напряжения; I₁, I₂ - действующие значения выходного и входного токов, соответ­ственно.

(16)

Выходное сопротивление усилительного каскада

,

где . R¢

Примечание:

(17)

Если резистор R_э , в схеме на рисунке 3 не зашунтирован по переменному току , конденсатором С_э, то последовательно с r_э в эквивалентной схеме усилителя нужно включить сопротивление R_вхэ. Тогда входное сопротивление каскада

 

Усилительные каскады на транзисторах по схеме с ОЭ широко применяются в каче­стве промежуточных и выходных, так как имеют наибольший коэффициент усиле­ния по мощности.

3. Описание технических средств для
выполнения работы

Для выполнения лабораторной работы используются следующие технические средства

1. Экспериментальный стенд фирмы FESTO (модуль «Транзистор 1»).

2. Низкочастотный генератор синусоидальных сигналов ГЗ-118 (диапазон частот (1...200) кГц).

3. Цифровой вольтметр В7-27.

4. Цифровой заполняющий осциллограф «Tektronix» (серия TDS 1002 В).

В лабораторной работе используется модуль «Транзистор 1», упрощённая принципиальная схема которого приведена на рисунке 6.

Г-генератор; О-осциллограф;

ЦВ-цифровой вольтметр;

 

Рисунок 6 - Принципиальная схема модуля «Транзистор 1»

 

4. Порядок выполнения экспериментальных
исследований и теоретических расчётов

1. Изучить принцип действия усилительного устройства (рисунок 6) и особенно­сти схемной реализации.

2. Начертить принципиальную схему лабораторного стенда и уяснить назначение элементов схемы.

3. С помощью переключателя SA1 включить источник питания. Исследовать влияние сопротивления резистора RK в коллекторной цепи на коэффициент К_u, в области средних частот. С этой целью, задаваясь определённой величиной входного напряжения U_вх и его частотой f, заполнить таблицу 1, изменяя R_к, с помощью переключателя SA1.

Таблица 1 - Зависимость К_u от R_к при U_вх=100мB и f =10кГц

Rк	Uвых	Кu= Uвых /Uвх
[кОм]	[В]

4. Исследовать влияние элементов эмиттерной цепи на коэффициент усиления по напряжению К_u и на форму выходного сигнала в области средних частот. Ре­зультаты эксперимента занести в таблицу 2 и зарисовать согласованные осцил­лограммы входного и выходного напряжений.

Таблица 2 - Влияние эмиттерной цени на К_u при U_вх=100мB и f =10кГц

С [мкФ]	Rэ [Ом]	Uвых [В]	Кu= Uвых /Uвх	Примечание

Для подключения требуемых значений R_э и С_э используются переключатели SA3 и SA4.

 

5. Снять зависимость выходного напряжения U_вых от U_вх (амплитудную теристику усилителя). Результаты эксперимента занести в таблицу 3. Значения U_вх изменять с шагом ∆U_вх =0,01 В.

Таблица 3 - зависимость U_вых от U_вх при f=10кГц

Uвх [В]	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,07	0,09
Uвых [В]

Продолжение таблици

Uвх [В]	0,11	0,13	0,15	0,17	0,2	0,25	0,3
Uвых [В]

 

6. Исследовать амплитудно-частотную характеристику, изменяя частоту входно­го сигнала в диапазоне (0,1... 100) кГц при U_вх =0,1 В. Результаты эксперимента занести в таблицу 4.

Таблица 4 - зависимость U_вых от частоты входного сигнала при U_вх =0,1 В

f [Гц]

Uвых [В]

Кu