ЛР_2


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э.Баумана ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Электроника и схемотехника» Москва 201 7 Лабораторная работа № 2 . « ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА » Цель работы ‬ изучить, как влияют различные способы включения биполя р ного транзистора и величина сопротивления нагрузки на свойства усил и тельного каскада. Теоретическая часть 1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПАРА МЕТРЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСИЛИТ Е ЛЕЙ Электронный усилитель ‬ устройство, увеличивающее мощность (напряж е ние, ток) входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посре д ством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.). На рис. 1, а представлена структурная схема включения усилителя в цепь ус и ления электрического сигнала, где 1  источник вход ного сигнала; 2  усилитель; 3  источник энергии ; 4  нагрузка. В качестве источник ов питания усилителя и с пользуют стаб ильные источники энергии постоянного тока. Источник входного сигнала (датчик) формирует изменяющееся во времени напряжение u вх (ток i вх ) различной амплитуды, частоты и формы. Нагрузка уси лителя ‬ устройство, которое можно представить в виде линейного пасс ивного двухполюсника. Сам усилитель с парой входных и парой выходных зажимов иногда представляют в виде нелине й ного ч е тырехполюсника вследствие нелинейности характеристик вхо дящих в него элеме н тов. Условное обозначение усилителей на схемах изображено на рис. 1, б . Напр я жение входа u вх и напряжение выхода u вых измеряют относительно общего выв о да. При упрощенном изображении усилителя в виде прямоугольника, на нем изображают только вход и выход (рис. 1, в ), опуская выводы напряжения пит а ния U n и общий вывод . Важнейшим параметром усилителя является коэффициент усиления по мо щ ности, равный отношению изменения мощности выходного сигнала к и з менению мощности входного сигнала, т. е. По ми мо коэффициента ус и ления по мощности вводят также коэффициент усиления по напряжению и коэффициент усиления по току Тогда к о эффициент u вых u вых 3 U п u вх 1 2 4 i вх i вых Рис.1 u вх О б щий в ы вод В ы ход U n Вход б ) В ы ход Вход в ) а ) Важнейшими характеристиками усилителя являются амплитудная и ча - стотные. Амплитудная характеристика (рис. 2, а ) ‬ это зависимость амплит у ды (или действующего значения) выходного напряжения от амплитуды (или де й ству ющего значения) входного синусоидального напр я жения, т. е. , где П ун - кт и ром пок а зана а м пл и ту д ная характеристика идеального усилителя. О т клонение реальной х а рактеристики от идеальной объясняется на личием шумов и нелинейностями характеристик усилительных элементов при сла бых и больших входных си г на лах. Динамическим диапазоном усилителя в децибелах называют отношение ма к симального значения входного напряжения к минимальному на линей ном учас т ке ab амплитудной характер и стики (см. рис. 2, а ): . Коэффициент усиления по напряж е нию на этом участке Амплитудно - частотная характеристика (АЧХ) усилителя ‬ это завис и мость коэффициента усиления, например, по напряжению K u от частоты f входного сигнала, т. е. K u ( f ) при . Обычно АЧХ строят на двойной логарифмической сетке: по оси ординат о т кладывают значения K u в децибелах, а по оси абсцисс ‬ частоты в логарифмич е ском масштабе, однако около делений записывают значения частот без л о гарифма (рис. 2, б ). Полоса пропускания усилителя оп ределяет диапазон частот  f (или   ), в пределах которого коэффициент усиления K u (на средней частоте) не сни жается ни же своего уро вня, т. е.  f = f в  f н , где f в и f н ‬ верхняя и нижняя частоты среза АЧХ усилит е ля. Фазочастотная характеристика  ( f ) ‬ это зависимость угла сдвига фаз  между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты (см. рис. 2, б ). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг  линейно зависит от частоты. Входное и выходное сопротивления усилителя: При сопротивлении нагрузки R н выходная мощность 1 U вх .min 0 b U вых U вх .max U вых .max U вых .min a U вх а ) f н 3 дБ 0 lg f К и , дБ 10 10 2 10 3 10 4 f в Δ f φ 60 20 40 Рис. 2 б ) 2. У силитель с общим эмиттером (ОЭ) Одним из наиболее распространѐнны х усилите лей на биполярных тран - зисторах является усилитель с общим эмиттером (ОЭ). В этом усилителе эми т тер является общим электродом для входной и выходной цепей (рис. 3, а ). Вхо д ное напряжение u вх от источника сигнала E c с внутренним сопротивлением R c подаѐтся на усиливаемый каскад на биполярном транзисторе VT через конденс а тор связи С 1 , предотвращающий прохождение постоянной составл я ющей тока от источника сигнала. Усиленное выходное напряжение подаѐтся на нагрузку R н ч е рез разделительный конденсатор С 2 , т. е. п одаѐтся только переменная составл я ющая напр я же ния u вых . В усилителе , кроме источника переменного сигнала , действует источник напряжения с ЭДС E n (обычно напряжение U n = 10…30 В) с внутренним сопр о тивлением R вт . Сопротивление резистора R К выбирают , исход я из требований усиления входных сигналов и ограничения тока коллектора I К транзистора VT . Обычно сопротивление R K составляет 0,2…5 кОм для транзисторов малой мо щ ности и порядка 100 Ом для транзисторов средней мощности. Резисторы R Б 1 и R Б 2 делителя напряже ния питания U n пред назначены для устано в ки тока базы I Б транзистора (по постоянному току), соответственно рабочей точки (точки покоя) на линии нагрузки. С помощью резистора R Э создаѐтся обратная отрицательная связь усилит е ля по постоянному току, обеспечи вающая температурную стабилизацию его ре - жима усиления. Так, при увеличении температуры возрастают постоянные с о ставляющие токов коллектора I К и эмиттера I Э и падение напряжения R Э I Э . В р е зультате, напряжение U БЭ уменьшается, что вызывает умень шение тока базы I Б , и, следовательно, тока I К , стабил и зируя его. Конденсатор C Э большой ѐмкости (десятки микрофарад) шунтирует сопр о тивление резистора R Э по переменному току, что исключает ослабление усил и ваемого сигнала по переменному току цепью обратной связи. Для удобства анализа работы усилителя отдельно рассматривают его схемы замещения по постоянному (рис. 3, б ) и пе ре менному току (рис. 5). В режиме р а боты усилителя по постоянному току для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочу ю точку а (рис. 4) выбир а ют посередине рабочего участка bc линии нагрузки по постоянному току, описываемой уравн е нием I К R Б 2 R н R c E c R К С 2 E n R вт U n С Э R Э С 1 R Б 1 i вх u вх i 2 VT u вых I Б I Э Рис. 3 а ) б ) где . Линию нагрузки строят следующим образом. Из приведенного уравнения следует, что при , а при . Через две найденные точки проводят прямую (нагрузочную) линию. Задав ток базы в режиме покоя I Б n , находят на пересечении линии нагрузки по пост о янному току с выходной характеристикой транзистора при I Б = I Бп точку покоя а ( U К n , I К n ). При подаче на вход усилителя переменного напряжения u вх происходит и з менение тока базы i Б , тока коллектора i К и напряжения на коллекторе (см. рис. 4). Амплитуда переменного коллекторного тока I m K п римерно в h 21 раз больше амплитуды тока базы I m Б , а амплитуда коллекто р ного напряжения U m K во много раз больше амплитуды входного напряжения. Таким образом, в схеме усилителя с ОЭ усиливается ток и напряжение входного сигн а ла. Пользуясь графиками, изображе нными на рис. 4, нетрудно определить вхо д ное сопротивление и коэффиц и енты усиления каскада . U mK I m Б I Б U Б а ' i Б t u Б t U m Б 0 0 0 I Б n U K Э I К 0 а b c u к 0 t U n I K . max U Kn i К t I К n I m К 0 Рис. 4 i К R н R К R н R Б 1 i Б i К i 2 С 2 С 1 u вх С Э VT u вых С n а ) С 1 R Б 1 h 11 u вх i вх i Б С 2 R К 1 / h 22 u вых h 21 i Б б ) Рис. 5 i н При этом положительному полупериоду вход но го напряжения u вх соотве т ствует отрицательный полупериод выходного нап ряжения u K  u вых . Иначе гов о ря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°, т. е. схема усилителя с ОЭ является инвертирующим устройством, усил и вающим и изменяющим фазу входного напряж е ния на 180°. Обычно рассмотренный тип усилительного каскада работает в режиме ус и ления сл абых сигналов (постоянные составляющие тока базы и коллектора с у щественно превосходят аналогичные переменные составляющие). Эти особенн о сти позволяют использовать аналитические методы расчета параметров усил и тельного каскада на низких частотах по известным h - па раметрам транзистора (рис. 5, б ), полагая, что транзистор работает в линейном режиме. При этом си г нал, поданный на вход усилителя, практически не искажается (по форме) на его выходе. Наличие в усилителе ѐмкостей C 1 и С 2 (см. рис. 3, а ) приводит к час тотным искажениям усиливаемых сигналов в области нижних частот: с уменьшением частоты входного сигнала увеличивается сопротивление кон денсатора , падение напряжения u С 1 на нем, следовательно, снижается входное u вх и выходное u вых на пряжения. Это приводит к умень шению коэффициента усиления K u с уменьшением частоты (см. рис. 2, б ), а наличие в усилителе ме ж дуэлектродных ѐмкостей транзистора и монтажных ѐмкостей приводит к во з никновению частотных искажений усиливаемых сигналов в област и высоких ч а стот. С учѐтом ѐмкости С К коллекторного p - n - перехода, условно вклю чаемой между коллектором и базой, входное сопротивление каскада в области верхних частот . Входное сопротивление усилительного каскада на биполярном тра нзист о ре с ОЭ обычно имеет значение порядка нескольких сотен ом. Выходное сопроти в ление обычно на порядок больше входного. Реальный коэффициент усиления по напряжению K u всегда меньше коэфф и циента усиления ненагруженного усилителя ( ). Это различие тем з а метнее, чем больше выходное сопротивление усилителя и меньше сопротивл е ние нагрузки R н . На практике реальный коэффициент усиления каскада K u может достигать нескольких сотен, а коэффициент усиления по мощн о сти в схеме с ОЭ ‬ нескольких тысяч. 2 . У силитель с общей базой (О Б ) На Рис. 6 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе, включе н ном с общей базой (ОБ) , а также эквивалентная схема . Рис. 6 Резистор R К являться нагрузкой транзистора и определя ет его усилительные свойства,. Если R К =0 то эффект усиления напряжения не происходит, т.к. U КБ = E К = const . С увеличением R К растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на R К сверху. Коэффициент усиления по току k I меньше 1, k I  (0.5  0.95). Следовательно, схема с ОБ усиливает напряжение, мощность, но не усилив а ет ток. Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: R К , R Э , E К , E Э и характеристиками транзистора VT . Запишем уравнения Кирхгофа для выходной цеп и: На рис. 7 у равнение (1) представляет собой уравнение прямой, которую называют нагрузочной прямой, а уравнение (2) представляет семейство выхо д ных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. На осн о вании определенных критериев может быть выбран тип транзистора, при этом по справочн и ку определим его входные и выходные характеристики. Рис. 7 Для обеспечения работы усилител я в точке покоя "О" нужно обеспечить (входной ток) I Эп . Аналогично выходной цепи опишем входную цепь системой уравнений: Уравнение 1' нагрузочной прямой по входу, а уравнение 2' ‬ входными х а рактеристикам и транзистора. Для построения нагрузочной линии используем режимы холостого хода и короткого замыкания: На рис.8 п оложение рабочей точки на нагрузочной прямой можно опред е лить по току I Эп или по напряжению U КБп . Координаты рабочей точки определ я ют напряжен ие между базой и эмиттером по постоянному току Эбп . Рис. 8 Принципиальная схема усилителя имеет вид, приведенный на Рис. 9 . Рис. 9 . Разделительные конденсаторы С Р1 и С Р2 нужны для того, чтобы: 1) источник входного сигнала и нагрузка не изменяли режим работы транз и стора по постоянному току; 2) не пропускать на вход и в нагрузку постоянные составляющие, в которых нет информации о переменном входном сигнале. 3. Эмиттерный повторитель В каскаде, собранном на биполярном транзистор е с общим коллектором, называемым эмиттерным повторителем , выходное напряжение u вых (через ра з делительный конденсатор C 2 ) снимается с резистора R Э , включенного в цепь эмиттера (рис. 10 , а ). Значения сопротивлений резисторов R Б 1 и R Б 2 выбирают такими, чт обы р а бочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине рабочего участка входной характеристики транзистора VT . При подаче переменного входного си г нала u вх появляется переменная составляющая i Э эмиттерного тока, которая с о здает на резисторе R Э вых о дное н а пряжение . Входное сопротивление повторителя значительно боль ше входного сопр о тивления транзистора h 11 и достигает нескольких десятков и сотен килоом. С учетом сопротивлений резисторов R Б 1 и R Б 2 входное сопротивление по вторителя Выходное сопротивление имеет значение порядка н е скольких единиц или десятков ом. Таким образом, эмиттерный повторитель о б ладает большим входным и малым выходным сопротивлениями, что упрощает согла сование высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки с усил и тельным устройс т вом. Эмиттерные повторители применяют при передаче напряжения без измен е ния формы, амплитуды и фазы, но при значительном усилении тока и мо щ ности сигнала : эмиттерный повтор итель усиливает ток входного сигнала в h 21 Э + 1 раз и в h 21 Э раз его мощность . Рис. 10 ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ Физическая эквивалентная схема транзистора, представляющая собой эле к трическую модель транзистора и , которая може т использоваться для расчетов, может быть представлена в следующем в и де: Задание 1 C обрать на рабочем поле среды Multisim схему для испытания усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ (рис. 11 ), ознак о миться с порядком рас чѐта параметров схемы . Рис. 11 Скопировать схему (рис. 11 ) , а также показания приборов на страницу о т чета по работе. У си лител ь на транзисторе VT 1 с ОЭ (типа 2 N 3906 (КТ361Г) с параметра ми: U K . max = 40 В; I K . max = 0,2 А; Ск = 4,5 pF ; h 21э мин = 3 0 ; h21эмах = 300; f гр = 300 МГц; τ к 500 пс; R кэ равно от 40 до 60 Ом ( в режиме насыщения); Ik о = 7,5 мА; P K = 0,625 Вт . В ключены постоянные резисторы R 1, R 2, R 3, R 4, R 5, R 6 , конденсаторы С1 , С2, С3 , переключатель А и ключ В . В качестве источника энергии использован генератор постоянного напряж е ния E 2 с ЭДС E 2 , а в качестве источника входного сигнала ‬ генератор синусо и дального напряжения E 1 . Для визуализации результатов испытания в схему включены амперметры А1 и А2 , вольтметры V 1 и V 2 , двухканальный осцилл о граф XSC 2 и плот тер ХВР1 (построитель АЧХ и ФЧХ усилителя по напряж е нию). Расчѐт параметров схемы выполним с помощью следующих соотнош е ний: 1) Определяем значение параметра h 11э: h 11э = , где , - сопротивление базы транзистора, представляющее собой распр е деленное (объемное) сопротивление участка кристалла, примыкающего к электроду; ‬ сопротивление эмиттерного перехода; = /Ск , = , где , - температурный потенциал, равный 26 мВ при ко м натной температуре. 2) Определяем среднее значение параметра h21э: , 3) Определим расчетное значение входного сопротивления усилительного каскада с уч е том сопротивлений R б1 и R б2 : где 4) Определим значение в ыходного сопротивления транзистора усилительн о го каскада. , где Ом; R кэ = 60 Ом; 5) Определим коэффициент усиления по напряжению К u : , 6) Коэффициент усиления по току Кi для схемы с ОЭ составляет К i = h21э, 7) Определим величину коэффициента усиления по мощности: Кр = К u * Кi . Полученные значения параметров внести в табл. 1. Используя показания амперметров А1 и А2 , вольтметров V 1 и V 2 , двухк а нального осциллографа XSC 2 вычислить R вх , R вых, К u , К i , Кр для области средних частот . Данные внести в табл. 1, сравнить с расститанными по форм у лам. Копию экрана осциллографа привести в отчете. Снять с помощью плоттера ХВР1 амплитудно - частотн ую характерис ти ку ус и лительного каскада. Скопировать экран плоттера на страницу отчѐта по работе. Задание 2 C обрать на рабочем поле среды Multisim схему для испытания усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОБ (р ис. 12 ), ознакомит ь ся с порядко м расчѐта параметров схемы. Рис. 12 Скопировать схему (рис. 12 ) , а также показания приборов на страницу о т чета по работе. При расчете используются основные пара метры, найденные при предыдущем расчете. 1) Определим статический коэффициент усиления по току для схемы с ОБ: , 2) Определим параметр h 11б: (входное сопротивление транзистора в сх е ме с ОБ: , 3) Определим расчетное значение входного сопротивления усилительного каскада ( с учетом параллельного соединения сопротивлений R б1 , R э и h 11б ) . 4) Определим значение выходного сопротивления транзистора усилительн о го каскада ( как параллельное соединение h 22 б и сопротивления Rk , h 1 2 э= 0,009, h 22 э= 1,5 мСим ) . 5) Коэффициент усил ения усилителя по току К i составляет: , 6) Определим коэффициент усиления по напряжению К u : , 7) Определим величину коэффициента усиления по мощности: Кр = Кu * Кi . Полученные значения параметров внести в табл. 1. Используя показания амперметров А1 и А2 , в ольтметров V 1 и V 2 , двухк а нального осциллографа XSC 2 вычислить R вх , R вых, К u , К i , Кр для области средних частот . Данные внести в табл. 1, сравнить с расститанными по форм у лам. Копию экрана осциллографа привести в отчете. Снять с помощью плоттера ХВР1 ампл итудно - частотную характерис ти ку ус и лительного каскада. Скопировать экран плоттера на страницу отчѐта по работе. Задание 3 C обрать на рабочем поле среды Multisim схему для испытания усил и тельного каскада на биполярном транзисторе с ОК (рис. 13 ), ознакоми ться с п о рядком расчѐта параметров схемы. Рис. 13 Скопировать схему (рис. 13 ) , а также показания приборов на страницу о т чета по работе. 1) Коэффициент усиления по напряжению К u составляет: , 2) Определим коэффициент усиления по току К i : 3) Определим величину коэффициента усиления по мощности: Кр = Кu * Кi 4) Определим расчетное значение входного сопротивления усилителя: 5) Определим расчетное значение выходного сопротивления усилителя: (как параллельное соединение R э и h 22 к, для транзист ора 2 N 3906 h 22 э= h 22 к=1,5 мСим ) . Полученные значения параметров внести в табл. 1. Используя показания амперметров А1 и А2 , вольтметров V 1 и V 2 , двухк а нального осциллографа XSC 2 вычислить R вх , R вых, К u , К i , Кр для области средних частот . Данные внести в та бл. 1, сравнить с расститанными по форм у лам. Копию экрана осциллографа привести в отчете. Снять с помощью плоттера ХВР1 амплитудно - частотную характерис ти ку ус и лительного каскада. Скопировать экран плоттера на страницу отчѐта по работе. Таблица 1. Пара - метр Схема включения транзистора ОЭ ОБ ОК R вх Теор . Экспер . Теор . Экспер . Теор . Экспер . Ki Теор . Экспер . Теор . Экспер . Теор . Экспер . Ku Теор . Экспер . Теор . Экспер . Теор . Экспер . R вых Теор . Экспер . Теор . Экспер . Теор . Экспер . Варианты заданий при моделировании в Multisim : В ариант Е 1 мВ F Е 1 кГц R н к O м E 2 В 1 ,6,11,16,21,26 20 1 1 10 2 ,7,12,17,22,27 1 0 2 2 11 3 ,8,13,18,23,28 15 2,5 1 9 4 ,9,14,19,24,29 25 3 2 12 5 ,10,15,20,25,30 30 1.5 1.5 13 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Наименование и цель р а боты. 2. Перечень приборов, использованных в экспериментах, с их крат кими х а рактеристиками. 3. Изображения электрических схем испытания простейших ус илителей на биполярных транзист о рах. 4. Таблицы результатов измерений и расчѐтов параметров усилительных ка с кадов. 5. Графики амплитудн о - частотных характеристик усилит е лей. 6. Выводы по работе. Контрольные вопросы 1. Какова малосигнальная эквивалентн ая схема транзистора, транзисторных ка с кадов ОЭ, ОБ, ОК? 2. Чем отличается между собой усилительные каскады ОЭ, ОБ, ОК (схемные различия, разл и чия в параметрах и характеристиках)? 3. Как измерить входное и выходное сопротивления усилителя, усиление по напряжению , т о ку, мощности? 4. Назначение элементов схемы. 5. Принцип работы биполярного транзистора. 6. Принцип работы усилителя на семействе входных и выходных статических характеристик. 7. Понятие рабочей точки, напряжение смещения. 8. Условия линейного усиления. 9. Графически объяснить работу усилителя по переменному т о ку. 10. Укажите тип усилител ьного каскада , у которого коэффициент усиления по т о ку меньше единицы. 11. Укажите тип усилител ьного каскада , у которого коэффициент усиления по напряжению меньше единицы. 12. Укажите, какую роль в схеме транзисторного усилителя с ОЭ играет конде н сатор С Э , резистор R Э включенные в цепь эмиттера.

Приложенные файлы

  • pdf 1138892
    Размер файла: 707 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий