Підсилювальні каскади на транзисторах.

Мета: набути досвіду розрахунку, складання та налагодження підсилювальних каскадів на транзисторах. Здобути практичних навичок створення підсилювачів із заданими параметрами.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

В якості керуючого елемента транзистор може слугувати основним елементом у підсилювачах сигналів. Сам транзистор може керуватись невеликим струмом (або напругою), при цьому струм, яким здатен керувати транзистор, виявляється набагато більшим. Слід не плутати: транзистор сам по собі не може нічого підсилювати (хоча б з міркувань збереження енергії), він лише здатен керувати великими струмами за рахунок впливу малих струмів. Ефект підсилення досягається саме підсилювальним каскадом – схемою, що використовує керуючі властивості транзистора. Підсилення, як підвищення енергії сигналу, відбувається за рахунок енергії джерела живлення.

Підсилювач, в свою чергу, складається з підсилювальних каскадів, джерела живлення та допоміжних блоків, що покращують чи відображають параметри сигналів: фільтрів, обмежувачів, індикаторів тощо.

В переважній більшості випадків задача підсилення ставиться для сигналів змінного струму. Це означає, що сам сигнал може бути як більшим нуля, так і меншим. Проте транзистори керуються напругою лише однієї полярності (див. лаб. раб. № 6). Вказана суперечність розв’язується двома шляхами: 1) використовуються два підсилювальні каскади для кожної полярності, 2) використовується початкове зміщення транзистора. Перших шлях здобув популярності у останніх каскадах підсилювачів звуку, другий – у перших каскадах підсилення в довільних приладах. В цілому, другий шлях є більш розповсюджений, оскільки економить деталі.

Найпростішим підсилю­вальним каскадом є каскад з колекторним навантаженням і заземленим емітером (рис. 8.1). Нала­годження каскаду для роботи з різними полярностями сигналу розбивається на два етапи: 1) за постійним струмом, 2) за змінним струмом.

На першому етапі встановлюються початкові зміщення та інші характеристики каскаду за умови відсутності вхідного сигналу. На другому подається сигнал та досліджується його проходження каскадом.

Режим за постійним струмом.

При налагодженні режиму за постійним струмом використовуються наступні міркування.

а) При підключенні навантаження параметри каскаду зміняться, оскільки навантаження відбере на себе частину струму. Для того, щоб не проводити перерахунки струм колектора обирається у кілька разів більшим за струм навантаження. Максимальний струм колектора обмежується резистором R _к, навантаження – R _н. Значить, слід обрати R _к < R _н у кілька разів. Проте, занадто малим цей опір обирати не варто, оскільки завеликий струм через транзистор буде його нагрівати, що, з одного боку, може зруйнувати транзистор та, з іншого, призводить до зайвих витрат енергії.

б) При підсиленні струмів різної полярності транзистор буде як відкриватись, так і закриватись. Це значить, що вихідна напруга буде як збільшуватись, так і зменшуватись. Мінімальне її значення – нуль, максимальне – напруга живлення. Логічно, що для досягнення максимального ефекту за відсутності сигналу вихідна напруга повинна становити середнє – половину напруги живлення. Тобто транзистор має бути частково відкритим. Це досягається регулюванням резистора R _Б, який задає струм бази і відкриває транзистор.

В якості прикладу зберемо підсилювальний каскад на налагодимо його роботу за постійним струмом. На рис. 8.2 наведена схема каскаду та покази вимірювальних приладів.

Нехай джерело живлення має напругу 12 В, а опір навантаження 100 кОм. Тоді за п. а) оберемо колекторний опір 6 кОм – у 16 разів меншим за навантаження. За додаткову умову поставимо обмеження колекторного струму на рівні 1 мА (див. покази А2). Зазначене обмеження визначається з параметрів транзистора.

Далі регулюємо опір резистора R 1, досягаючи показів вольтметра V2 на рівні половини напруги (як видно, рисунок відповідає не максимальній якості настройки). Додатково контролюємо струм бази (амперметром А1) та напругу бази (вольтметром V1) для повноти опису каскаду.

Режим за змінним струмом.

Настроївши каскад за постійним струмом підключають джерело сигналу і навантаження та проводять наступні дослідження:

а) визначають максимальну величину сигналу, що може бути підсилений. Оскільки вихідний сигнал має обмеження (він не більше напруги живлення), вхідний сигнал так само має бути обмеженим. Для цього до навантаження підключають осцилограф. Збільшуючи напругу вхідного сигналу відмічають його значення у момент, коли у вихідному сигналі починаються спотворення – зрізання верхньої та нижньої частини сигналу. Відповідна величина вхідного сигналу є максимально допустимою.

б) визначають коефіцієнт підсилення. Для цього встановлюють величину сигналу на вході на допустимому рівні і визначають відношення амплітуд сигналів на виході та вході.

в) (додатково) визначають залежність коефіцієнта підсилення від частоти вхідного сигналу. З цих вимірювань визначають ефективний опір каскаду, підбирають ємність конденсатора С 1 (як для фільтра) та визначають ділянку частот з бажаним підсиленням (якщо підсилювач використовується для сигналів з різними частотами).

На рис. 8.3 наведена схема та осцилограма вимірювань коефіцієнта підсилення для створюваного підсилювального каскаду. Як видно з осцилографа, напруга в каналі А становить 1.3 (клітинки) х 2 (мВ/кл) = 2.6 мВ, в каналі В 2 (клітинки) х 200 (мВ/кл) = 400 мВ. Значить коефіцієнт підсилення становитьК = 400/2.6 = 154.

Слід зазначити, що розглянутий підсилювальний каскад реалізує максимальну можливість транзистора щодо підсилення. Відповідно, каскад працює на межі і при довільних змінах (температури, тиску, вологості, вібрацій тощо) порушує умови роботи. Використання такого каскаду рекомендується для задач, де не вимагається стабільність коефіцієнта підсилення, наприклад, в перших каскадах підсилювачів, в яких передбачена стабілізація у подальших каскадах.

 

Рис. 8.4. Схема стандартного підсилювального каскаду з встановленням початкового зміщення за допомогою подільника напруги.

Недоліки найпростішої, щойно розглянутої схеми, можна подолати побудувавши стандартний підсилювальний каскад, зображений на рис. 8.4. Його відмінності полягають в наявності резистору в ланці емітерного струму (R _е) і способі організації початкового зміщення. Наявність резистора R естабілізує початкове зміщення, яке задане напругою на базі за допомогою подільника R 1, R 2. Дійсно, припустимо, що внаслідок деякої причини струм колектору зріс. Зростання струму колектор-емітер призведе до зростання напруги на резисторі R еі, як наслідок, зростанню потенціалу емітера при незмінному потенціалі бази. Керуюча напруга U бепонизиться, що призведе до компенсуючого зменшення струму колектора. Таким чином, кажуть, ми маємо справу з негативним зворотнім зв`язком за струмом.

Негативний зворотній зв’язок зменшує робить коефіцієнт підсилення каскаду більш стабільним, але стабілізація відбувається за рахунок його зменшення. Для розрахунку приймається, що коефіцієнт підсилення визначається відношенням опорів в колекторному та емітерному колі:

. (1)

Конденсатор С_е може додаватись для розширення смуги частот однакового підсилення (розберіться самостійно чому).

Підбір параметрів стандартного підсилювального каскаду проводиться повністю аналогічно до розглянутого вище. За постійним струмом досягають половинного значення напруги живлення на виході каскаду. При розрахунку подільника напруги для зміщення бази приймають, що струм подільника має бути значно більшим ніж струм бази.

За змінним струмом перевіряють коефіцієнт підсилення та, за необхідності, смугу частот постійного підсилення.

Для прикладу, на рис. 8.5 наведена схема стандартного підсилювального каскаду. Колекторний резистор (R 3) залишається 6 кОм з тих самих міркувань. Задавшись коефіцієнтом підсилення у 10 разів, за формулою (1) визначаємо опір емітерного резистора (R 4 = R 3/10 = 600 Ом).

За рис. 8.2 визначаємо, що струм бази становить близько 12 мкА. Нехай струм подільника буде у 10 разів більшим – 120 мкА = 0.00012 А. Тоді сумарне значення R 1 та R 2 має становити (12 В / 0.00012 А = 100000 Ом). Напруга на базі має становити 0.65 В (див. рис. 3). Відповідно маємо рівняння 12∙ R 1/ R 2 (не враховуючі падіння на емітері). Підсумовуючі, маємо систему рівнянь:

Розв’язуючі, дістаємо R1=5138 Ом, R2=94862 Ом. Встановлюємо ці значення і підбираємо їх більш детально для досягнення на виході напруги 6 В.

Для перевірки коефіцієнта підсилення підключаємо генератор сигналу, навантаження та осцилограф. Добиваємось стабільної роботи підсилювального каскаду. За осцилограмами напруг визначаємо коефіцієнт підсилення. На рис. 8.6 наведена схема включення каскаду та осцилограма напруг. Як видно, розміри синусоїд однакові, проте підсилення каналів відрізняються у 10 разів (2 мВ і 20 мВ). Значить, коефіцієнт підсилення становить 10, що і було закладене у розрахунки.

 

 

Отже, розрахунок підсилювального каскаду закінчено. Підсумкова схема з підібраними параметрами може бути занотована і використана повторно без повторення перерахунків. Єдина вимога – збереження марки транзистора, оскільки тонкий підбір параметрів проводився саме для нього.

В подальшому можна поєднувати декілька підсилювальних каскадів, будуючи підсилювач з заданим коефіцієнтом підсилення. В такому разі навантажувальний резистор вилучається, а замість нього додається такий самий підсилювальний каскад з необхідним коефіцієнтом підсилення. Пам’ятаємо, що коефіцієнт підсилення транзистору у одному каскаді поділяється на стабілізацію та, власне, саме підсилення. Чим більше коефіцієнт підсилення каскаду, тим менша його стабільність. Тому замість одного каскаду з К =100 краще з’єднати два каскади з К =10.

При побудові підсилювальних каскадів також слід не забувати про граничні значення напруг, струмів та потужностей для транзисторів. При великих коефіцієнтах підсилення транзистори комутують досить великі струми внаслідок чого нагріваються. Як сама величина струму може стати причиною виходу транзистора з ладу, так і його нагрів при роботі. Величина струму задається у параметрах транзисторів. Виділення тепла треба контролювати додатково. Потужні транзистори спеціально виготовляються з металевими корпусами, призначеними для розсіювання зайвої теплової потужності а також для встановлення на додаткові тепловідвідні радіатори.

ЗАВДАННЯ

1. Обрати довільним чином значення напруги для елемента живлення та опору навантаження, обрати транзистор з переліку наявних, визначити рекомендовані для нього струми бази та колектора. Розрахувати величини R_к та R_Б (див. рис. 8.1).

2. Зібрати схему за рис. 8.2. Встановити розраховані величини резисторів. За необхідності змінити встановлені величини для налагодження ро­боти підсилювального каскаду за постійним струмом. Зарисувати схе­му з підібраними значеннями резисторів, зазначити покази приладів.

3. Додати до схеми генератор, навантаження та осцилограф (рис. 8.3). Визначити максимальну вхідну напругу та коефіцієнт підсилення. Результати додати до звіту.

4. Обрати довільне значення коефіцієнту підсилення, менше за максимальне, визначене у п. 3. Провести розрахунки стандартного підсилювального каскаду для обраного підсилення (див. формулу (1) та приклад розрахунку).

5. Налагодити стандартний підсилювальний каскад за постійним струмом (див. рис. 8.5). Зарисувати схему з підібраними значеннями резисторів у звіт, зазначити покази приладів.

6. Налагодити стандартний підсилювальний каскад за змінним струмом (див. рис. 8.6). Визначити коефіцієнт підсилення, порівняти його з закладеним у п. 4. Зарисувати кінцеву схему. Зробити висновки.

 

 

ЧАСТИНА ІІ

 

ОСНОВИ

ТЕОРІЇ

СИГНАЛІВ

 

Лабораторна робота № 9.