Усилительный каскад на бт с общим коллектором

(эмиттерный повторитель)

Эмиттерный повторитель (ЭП) представляет собой усилитель то­ка и мощности, выполненный на транзисторе по схеме с ОК. Его схема представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1

 

Сопротивление нагрузки включается в эмиттерную цепь транзи­стора ЭП обладает повышенным входным и пониженным выходным со­противлениями. Его входное и выходное напряжения совпадают по фазе и незначительно отличаются по величине. Отмеченные свойства ЭП позволяют использовать его для согласования высокоомного ис­точника напряжения с низкоомной нагрузкой.

ЭП можно рассматривать как усилительный каскад с ОЭ, у кото­рого Rк = 0,а резистор в цепи эмиттера не зашунтирован конден­сатором Сэ. В этом случае все выходное напряжение, выделяемое на сопротивлении в цепи эмиттера, последовательно вводится во вход­ную цепь усилителя, где вычитается из напряжения входного сигна­ла Uвх, снижая его. В схеме действует 100% последовательная от­рицательная обратная связь по напряжению.

Коэффициент усиления по напряжению ЭП

Ки = Uвых/Uвх = (Iэ*Rэ) / (Iб*Rвх).

Коэффициент усиления по току в схеме ЭП без учета rh (холо­стой ход)

Ki = Iэ/Iб = 1+в.

 

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Собрать схему генератора синусоидальных колебаний (см. лабораторную работу «Исследование усилительного каскада по схеме с общим эмиттером с использованием лабораторного стенда»).

2. Собрать схему ЭП согласно рис. 4.2 (см. стр. 6, рис. 3).

Рис. 4.2

3. Подать на вход усилителя от генератора ГС1 синусоидальный сигнал частой f = 1кГц и амплитудой Uвх = 0,1В. Изме­рить с помощью осциллографа амплитуду выходного сигнала Uвых и зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

Рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению, току и мощности.

4. Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой
f = 1кГц. Изменяя амплитуду входного сигнала Uвх от 0 до 1В (порядка 10 значений) построить амплитудную характеристику
усилителя. Для каждого значения Uвx зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Определить Uвых max в момент появления
существенных нелинейных искажений.

5. Сделать выводы по полученным результатам экспериментов.

 

Лабораторная работа №5

ИССЛЕДОВАНИЕДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАБОРАТОНОГО СТЕНДА «ЭЛЕКТРОНИКА».

Цель работы

Исследование основных параметров и характеристик дифференци­альных усилительных каскадов на биполярных транзисторах.

Теоретическое введение

Простейшие усилительные каскады на БТ с ОЭ и ОК имеют ряд недостатков, которые ограничивают их применение на практике. Во-первых, стабилизация режима покоя с помощью ООС приводит к уменьшению коэффициента усиления. Во-вторых, при связи каскадов друг с другом коэффициент усиления уменьшается за счет потерь на резистивных элементах. В-третьих, в этих усилителях имеется дрейф нуля. Эти серьезные недостатки частично или полностью ис­ключены в дифференциальном каскаде, который поэтому находит чрезвычайно широкое применение особенно при создании операцион­ных усилителей. Простейшая схема дифференциального каскада при­ведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1

Транзисторы VI, V2 и резисторы Rк1 и Rк2 образуют мост, в одну диагональ которого включаются источники питания +Un и -Un, а в другую - нагрузка. Дифференциальный.каскад нередко называют также параллельно-балансным каскадом. Высокие показатели каскада могут быть достигнуты только при высокой симметрии моста. В симметричном каскаде Rк1= Rк2 транзисторы долны быть идентичны по своим параметрам.

В режиме покоя (Uex = 0) при 'Полной симметрии схемы потен­циалы коллекторов транзисторов VI и V2 одинаковы и выходное на­пряжение равно нулю:

Uк1 = Uк2; Uвых = Uк1 - Uк2 = 0.

Высокая стабильность схемы объясняется тем, что при измене­нии напряжения источника питания или при одинаковых изменениях параметров транзисторов в следствии их нагрева потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения, т.е.,

Uвых = Δ Uк1- Δ Uк2 = 0.

Входной сигнал к этой схеме может подаваться либо между дву­мя базами либо на одну из баз при фиксированном потенциале вто­рой базы.

Если источник сигнала включен между двумя базами, то это приводит к тому, что при одинаковых входных сопротивлениях тран­зисторов на обеих базах появляются сигналы, равные ивх/2 и про­тивоположные по знаку. Это приводит к снижению тока коллектора одного транзистора и увеличению коллекторного тока другого тран­зистора.

Изменение коллекторных токов вызовет, в свою очередь, проти­воположные по знаку изменения потенциалов обоих коллекторов. При полной симметрии схемы

| Δ Iк1 | = | Δ Iк2 |;

| Δ Uк1 \ = | Δ Uк2|

Uвых= ΔUк1- ΔUк2 = 2*ΔUк1

Обращает на себя внимание, что при Uвx1 = Uвх2,

|Δ Iэ1| = |Δ Iэ2| iэ1+iэ2= const, т.е. сигнал ООС Δ Uэ = 0 и падение напряжения на Rэ не оказы­вает сияния на коэффициент усиления. Наличие общего эмиттерного сопротивления повышает стабильность схемы. Стабилизирующее действие резистора Rэ тем больше, чем больше сопротивление этого резистора.

Если входной сигнал подается на базу VI, то при фиксирован­ном потенциале второй базы (обычно Uвх2 = 0) выходное напряжение по модулю будет таким же, как и в предыдущем случае благодаря стабилизации тока Iэ1 + Iэ2 = const. Аналогично можно рассмот­реть подачу сигнала на вход V2. При подаче сигнала на вход VI полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного (вход VI называется прямым входом), при подаче на вход V2 поляр­ность Uвых и Uвx противоположны (вход V2 - инвертирующий). При этом нужно отметить, что схема дифференциального каскада симмет­рична знак Uвых зависит только от того, какое направление Uвых принят положительным.

Коэффициент усиления ненагруженного каскада•можно определить из выражения:

Ки = Uвых/ (Uвх1-Uвх2) = (Δ Uк1- Δ Uк2) / (Uвх1-Uвх2) = h_21э*Rк/h_11э, где h_21э и h_11э - h параметры транзисторов. Входное и выходное сопротивления дифференциального каскад соответственно равны:

Rвх = (Uвx1- Uвх2)/ Δ Iвх = 2 h_11э,

Rвых = 2Rк.

При изготовлении интегральных схем высокоомный резистор Rэ заменяют на источник тока. Схема такого каскада приведена на рис. 5.2.

Источник тока выполнен на транзисторе V3. Небольшое по вели чине сопротивление Rэ и диод V4 служат для стабилизации коллек­торного тока V3.

Недостатком дифференциального каскада является отсутствие общей точки между источниками сигнала и нагрузкой

Рис. 5.2

 

 

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Собрать схему генератора синусоидальных колебаний (см. лабораторную работу «Исследование усилительного каскада по схеме с общим эмиттером с использованием лабораторного стенда »).

2. Собрать схему дифференциального усилителя, представ­
ленную на рис. 5.3, установив рассчитанное значение резистора R23 (см. стр.6, рис. 3).

Рис. 5.3

3. Подать на вход усилителя от генератора ГС1 синусоидальный сигнал частотой f = 1кГц и амплитудой Uвх = 0,1В. Измерить с помощью осциллографа амплитуду выходного сигнала Uвых и зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжения. Рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению.

4. Установить амплитуду входного сигнала Uвx = 0,5В.
Изменяя частоту входного сигнала от 0 до 100кГц снять амплитуд­но-частотную характеристику усилителя и построить ее.

5. Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой f = 1кГц. Изменяя амплитуду входного сигнала Uвхт от 0 до 1В (порядка 10 значений) построить амплитудную характеристику усилителя. Для каждого значения Uвх зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Определить Uвыхmax в момент появления существенных нелинейных искажений.

6. Собрать схему дифференциального усилителя с источником тока в цепи эмиттера, представленную на рис. 5.4. При исследовании данной схемы выполнить п.п. 3-5.

7. Сравнить результаты теоретических расчетов и практи­ческих исследований, сформулировать выводы по каждому пункту ра­бочего задания.

Рис. 5.4

 

1.4 Контрольные вопросы

1. Что лежит в основе принципа усиления сигналов?

2. Что такое динамический диапазон усилителя и как он определяется?

3. Чем вызваны линейные и нелинейные искажения выходного сигнала в усилителе?

4. Почему необходима стабилизация рабочей точки в усилителе?

5. В чем смысл коллекторной и эмиттерной стабилизации?

6. Какую роль в усилительном каскаде играют разделительные емкости?

7. Как определяется их работа в частотном диапазоне усилителя?

8. Какова разность фаз между входным и выходным синусоидальными сигналами в усилителе с ОЭ? с ОК?

9. Как влияет входное сопротивление на коэффициент усиления по напряжению?

10. Какова связь между выходным сопротивлением усилителя и сопротивлением в цепи коллектора R_К? Какое влияние оказывает понижение сопротивления нагрузки на коэффициент усиления по напряжению?

11. Как влияет сопротивление R_Э на коэффициент усиления по напряжению усилителя?

12. Почему значение коэффициента усиления по напряжению усилителя с ОК меньше 1?

13. Велико ли значение выходного сопротивления усилителя с ОК?

14. В чем заключено главное достоинство схемы усилителя с ОК?