Дослідження підсилювальних каскадів

На біполярних транзисторах.

 

Мета роботи:

Дослідити підсилювачі на біполярних транзисторах побудованих на схемах із спільним емітером і спільним колектором.

Теоретичні відомості

На Рис.2.1. представлена принципова електрична схема типового однокаскадного транзисторного підсилювача змінної напруги, побудованого на базі транзистора n-p-n типу і підключеного за схемою з спільним емітером (СЕ).

 

 

Рис. 2.1. Підсилювач змінної напруги побудований

по схемі зі спільним емітером

 

Типова схема підсилювача змінної напруги, як правило, включає розділяючі ємності С1 та С2, які блокують проходження сталої напруги на вхід підсилювача та з його виходу (U_ко).

 

Величини ємностей С1 та С2 вибирають таким чином, щоб їх опір на частотах підсилюємого сигналу був набагато меншим вхідного опору підсилюємого каскаду та опору навантаження Rн. Якість роботи електронного підсилювача та характер формуємого вихідного сигналу залежать від правильного вибору та встановлення режиму роботи (режиму А, В або С) підсилюючого каскаду.

Статичний режим задається базовим дільником напруги R _1, R ₂ і резистором Rе в емітерному ланцюзі, який забезпечує термостабілізації струму колектора спокою за рахунок негативного зворотного зв'язку (ОС) по постійному струму. Завдяки негативному ОС схема рис. 3.1 має високу стабільність робочої точки і при зміні параметрів транзистора (в першу чергу, коефіцієнта h_21е) статичний режим практично залишається незмінним.

Для температурної стабілізації положення робочої точки бази частіше всього використовується схема від’ємного зворотнього зв’язку по струму (Re, Ce), що знижує дію дестабілізуючих факторів. Ланцюг Re,Ce крім функції термостабілізіції виконує також роль автоматичного емітерного зміщення робочої точки підсилюючого каскаду.

Ємність С_е має близький до нуля опір для змінного струму, тому змінна складова емітерного струму проходить через ємність С_е, а стала складова - через резистор R_e при цьому величина Се визначається за умови , де w- частота підсилюваного сигналу. Тобто, потенціал емітера U_e можемо вважати постійною величиною пропорційною добутку сталого струму робочої точки на величину активного опору R_e.

Виходячи з еквівалентної схеми підсилювача, величина струму емітера І_едорівнює: І_е = І_б + І_к.,а де - це коефіцієнт передачі струму бази, І_б– величина струму бази, І_к – величина струму колекторної ланки. Зворотній струм колектора є величиною незначною, тому її можна відкинути, тоді струм емітера дорівнює: І_е = (1 + ) І_б.

 

Динамічний режим роботи транзисторного підсилювача забезпечується резистором Rк в ланцюзі колектора, завдяки якому змінюється вихідний сигнал Uк при зміні величини вхідного сигналу Uвх. Тобто резистор Rk служить для виділення напруги колектора Uк, що визначається виразом

Напруга колектора U_к пропорційна струму бази І_б та має зворотній, відносно вхідної напруги U_вх, знак, тобто вихідна напруга зміщена відносно вхідної на 180^о.

Rн – це опір навантаження підсилюючого каскаду.

Розрахунок параметрів підсилювального каскаду зі спільним емітером проводять або через h-параметри малосигнальної схеми заміщення, або через відомі робочі струми транзистора

Вхідний опір каскаду з СЕ розраховується за формулою:

, (2.1)

де - тепловий потенціал, який для нормальної температури приблизно рівний 25 мВ.

Вихідний опір повністю визначається опором колекторного резистора .

Коефіцієнт підсилення по напрузі:

(2.2)

Коефіцієнт підсилення по струму залежить від і відношення опорів колекторногорезистора і навантаження:

 

(2.3)

Схему рис. 2.2 називають каскадом зі спільним колектором (СК), тому що колекторный вивід транзистора по змінному струму є спільним електродом для вхідного і вихідного кола каскада. Схема також називається емітерним повторювачем, так як вихідна напруга, яка знімається з емітера транзистора близька по величині

 

до вхідної напруги (Uвих = Uвх - Uбэ) і співпадає з нею по фазі.

Рис. 2.1. Підсилювач за схемою зі спільним колектором

 

Розрахунок каскаду по постійному струму проводять аналогічно зі схемою з СЕ. Резистор Rе в схемі виконує ту ж функцію, що і резистор Rк в схеме СЕ – утворення змінної напруги в вихідному колі за рахунок протікання в ній струму в колі бази. Конденсатори С1 і С2 є розподілюючими, а резисторы R1 и R2 призначені для задання робочої точки.

Вхідний опір каскаду з СК розраховується за формулою:

 

(2.4)

 

При достатньо високоомному вхідному дільнику і транзисторі з високим входний опір каскада може досягати десятків-сотен кОм, що є одним найважливіших переваг каскада СК.

Вихідний опір каскада СК є опором зі сторони емітера:

(2.5)

 

Коефіцієнт підсилення по струму визначають за формулою:

(2.7)

Коефіцієнт підсилення по напрузі менший одиниці.

Порядок проведення роботи

1. Скласти схему для дослідження підсилювального каскаду зі спільним емітером. Параметри схеми:

R1=6,8 кОм, R2=30 кОм, Re=100 Ом, R_К=1 кОм, С_е=47 мкФ,

С₁ =С₂= 1мкФ. Транзистор КТ503Д з =40…120.

2. Дослідити осцилограмму вихідної напруги на підсилювального каскаду, змінюючи вхідну напругу в межах від 0,5 мА до 10мА.

3. Змінюючи частоту генератора синусоїдальної напруги, зняти АЧХ підсилювального каскаду. Визначити полосу пропускання.

4. Провести розрахунки вхідного і виходного опору каскаду, коефіцієну підсилення по напрузі і по струму.

5. Скласти схему для дослідження підсилювального каскаду зі спільним колектором. Параметри схеми:

R1=10 кОм, R2=30 кОм, Re=1 кОм, С_е=47 мкФ,

С₁ =С₂= 1мкФ. Транзистор КТ503Д з =40…120.

6. Повторити пункти 2-4 для каскаду зі СК.

 

Звіт повинен містити:

1. Осцилограмми вихідної напруги і АЧХ для схем зі спільним колектором і спільним емітером.

2. Результати розрахунків параметрів підсилювальних каскадів.

3. Висновки про об’єм виконаної роботи і відповідність практичних результатів теоретичним.

Контрольні тестові питання

1. Які базові схеми ввімкнення біполярних транзисторів ви знаєте?

2. Поясніть, яким чином забезпечується стабілізується режим спокою каскаду.

3. Поясніть відмінність параметрів Rвх, Rвих, Ku, Ki для різних схем ввімкнення біполярних.

4. Від яких елементів схем залежить fн?

5. Від яких параметрів залежить спад АЧХ на верхніх частотах?

6. Поясніть принцип побудови навантажувальної характеристики.

7. Яким чином забезпечується робота схеми з фіксованим струмом бази?

8. Яким чином забезпечується робота схеми з фіксованою напругою бази?

9. Як здійснюється температурна стабілізація робочої точки?

10. Які режими підсилення ви знаєте?

11. Де повинна бути розташована робоча точка в режимі А, АВ, В, С і D?

Лабораторна робота №3