Підсилювальні каскади на транзисторах - лабораторна робота, сторінка 1
Підсилювальні каскади на транзисторах
Мета роботи - дослідження одиночних каскадів RC-типу на біполярному та польовому транзисторах; дослідження характеристик і визначення параметрів досліджуваних підсилювачів.
5.1 Основні положення
Підсилювачі низької частоти (УНЧ) призначені для посилення безперервних періодичних сигналів, частотний спектр яких лежить в межах від десятків герц до десятків кілогерц. Для посилення малих рівнів сигналів застосовують багатокаскадні підсилювачі з ємнісними зв'язками між каскадами.
5.1.1 Основні параметри та характеристики підсилювачів
Основними параметрами, що визначають кількісні показники підсилювачів, є наступні:
коефіцієнт посилення - це відношення вихідного параметра до вхідного: - коефіцієнт посилення по напрузі; - коефіцієнт посилення по току; - коефіцієнт посилення за проектною потужністю. Для многокаскадного підсилювача загальний коефіцієнт посилення дорівнює добутку коефіцієнтів посилення складових його каскадів;
вхідний опір - це опір між вхідними затискачами підсилювача для змінного струму;
вихідний опір - це опір між вихідними затискачами підсилювача для змінного струму;
коефіцієнт корисної дії - це відношення потужності Рвих. що надходить в навантаження, до потужності Р0. спожитої від джерела живлення:.
Основні характеристики підсилювача, що визначають його якісні показники, пов'язані з нелінійними і лінійними (частотними) спотвореннями підсилюється сигналу
Нелінійні спотворення полягають у тому, що форма сигналу на виході підсилювача спотворюється через нелінійність характеристик транзисторів. Такі спотворення залежать від амплітуди вхідного сигналу і не пов'язані з його частотою.
Амплітудна характеристика - це залежність амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного сигналу (рис.5.1). Ділянка «аб» є лінійним і з високою точністю відтворює підсилюваний сигнал на виході. Нахил цієї ділянки визначає коефіцієнт посилення підсилювача.
При великих вхідних сигналах вихідна напруга підсилювача перестає зростати. Це пов'язано з тим, що в режимі великих вхідних сигналів робоча точка транзистора заходить в режими насичення і відсічення, де проявляються нелінійні властивості транзистора. Рівень самого слабкого сигналу обмежується рівнем перешкод. Величина характеризує динамічний діапазон підсилювача.
Малюнок 5.1 - Амплітудна
характеристика підсилювача
Малюнок 5.2 - амплітудно
частотна характеристика підсилювача
Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) - це залежність коефіцієнта посилення підсилювача від частоти вхідного сигналу (рис.5.2). Внаслідок наявності в схемі підсилювача реактивних елементів, а також з-за частотних властивостей транзистора коефіцієнт посилення підсилювача має різні значення на різних частотах. Це явище називають частотними спотвореннями, які оцінюють по АЧХ підсилювача, розбиваючи її на області нижніх, середніх і високих частот. Ступінь спотворень на окремих ділянках визначається коефіцієнтом частотних спотворень М. рівним відношенню коефіцієнта підсилення на середній частоті Кuo до коефіцієнта посилення на заданій частоті Ku:
Частоти, на яких коефіцієнт спотворень М досягає гранично допустимого значення, називаються верхньої fв і нижньої fн граничними частотами. Різниця називається смугою пропускання підсилювача.
5.1.2 Підсилювальний каскад на біполярному транзисторі
Типова схема підсилювального каскаду з загальним емітером (ОЕ) зі стабілізацією режиму роботи приведена на рис.5.3. Дана схема відноситься до класу каскадів попереднього посилення в багатокаскадних підсилювачах.
Малюнок 5.3 - Схема підсилювального каскаду
із загальним емітером
Малюнок 5.4 - Вихідні характеристики транзистора і лінія навантаження
Підсилювальний каскад містить в якості активного елементу транзистор n-p-n-типу. Дільник з резисторів R1, R2 забезпечує режим роботи базової ланцюга по постійному струму. Резистор Rk є колекторної навантаженням транзистора. За допомогою цього резистора задається режим роботи колекторної ланцюга транзистора по постійному струму. Резистор Rе забезпечує негативний зворотний зв'язок по постійному струму. Конденсатор Се шунтирует резистор Rе і виключає негативний зворотний зв'язок по змінному струмі. Вхідна напруга Uвх. визначається джерелом сигналу Ег з внутрішнім опором Rг. подається на вхід підсилювача через розділовий конденсатор С1. Цей конденсатор не пропускає постійний становить вхідного сигналу, яка може викликати порушення режиму роботи підсилювача. Розділовий конденсатор С2 служить для пропускання в навантаження Rн тільки змінної складової посиленого сигналу. Найчастіше навантаженням є вхідний опір наступного каскаду посилення.
Режим спокою каскаду з ОЕ. При відсутності змінного вхідного сигналу в ланцюзі колектора протікає постійний струм Ik. значення якого залежить від напруги джерела живлення Ек. опорів резисторів Rk і Rе і постійного струму бази Іб. Баланс напружень в цьому ланцюзі визначає режим спокою каскаду:
Співвідношення (5.1) являє собою рівнянь прямої лінії, яка будується на сімействі вихідних характеристик транзистора по двох точках з коефіцієнтами Ik = 0, Uке = Ек і Uке = 0, (рис.5.4). Така лінія називається динамічною характеристикою або лінією навантаження по постійному струму. Для заданого струму бази Іб значення Ik і Uке визначаються точкою на перетині відповідної колекторної характеристики з лінією навантаження.
При роботі підсилювача в класі А вибирається робоча точка Р. яка повинна знаходитися приблизно посередині відрізка АВ лінії навантаження. Цій точці відповідає струм бази Iбр. який задається подільником R1, R2 і визначає струм колектора Iкр і напруга Uкр в режимі спокою.
Термостабілізація режиму роботи каскаду з ОЕ. Характеристики та параметри транзисторів впливають на параметри підсилювача в цілому. Однією з важливих причин є зміна режиму спокою каскаду під впливом зміни температури навколишнього середовища. Так, наприклад, при підвищенні температури збільшується зворотний струм колекторного переходу Iko і коефіцієнт передачі струму бази β. Це призводить до збільшення струму колектора і точка спокою Р переміщується вгору по лінії навантаження. В результаті з'являються спотворення вихідної напруги вже при менших значеннях вхідного сигналу, ніж при початковому положенні точки спокою.
Забезпечити незалежність параметрів підсилювача від температури, тобто забезпечити термостабілізацію його режиму, можна за допомогою негативного зворотного зв'язку (по напрузі або по струму). У схемі рис.5.3 використовується термостабілізірующей ланцюжок RеCе. забезпечує негативний зворотний зв'язок по току колектора. Для цієї схеми напруга зсуву на базі визначається співвідношенням:
де UR2- напруга на резисторі R2;
Принцип стабілізації режиму каскаду полягає в наступному. При підвищенні температури збільшується струм колектора Ik. що призводить до збільшення напруги URе. З (5.2) випливає, що напруга Uбе. а отже, і струм бази Іб зменшується. Це призводить до зменшення струму колектора Ik практично до початкового значення.
Для усунення негативного зворотного зв'язку по змінному струмі від вхідного сигналу резистор Rе шунтирует конденсатором Се. опір якого має бути менше Rе. При відсутності конденсатора Се на резисторі Rе виникає змінна складова напруги URе, яка спрямована зустрічно з вхідною напругою Uвх. тобто напруга на вході транзисторі знижується. Коефіцієнт посилення каскаду при цьому буде зменшуватися.
Робота каскаду з ОЕ при наявності вхідного сигналу. При надходженні вхідного синусоїдального сигналу Uвх струм бази буде змінюватися і робоча точка Р буде переміщатися по лінії навантаження, змінюючи струми і напруги в каскаді. Якщо на вхід підсилювача надходить позитивна полуволна вхідної напруги, то емітерний перехід буде додатково відпиратися, і струм бази буде збільшуватися. При цьому збільшується і струм колектора, що призводить до збільшення падіння напруги на резисторі Rk і зменшення напруги Uке. При негативній напівхвиль Uвх транзистор, навпаки, буде прізапіраться, а напруга Uке збільшуватися. Таким чином, напруга на виході з каскаду з ОЕ знаходиться в протифазі з вхідним сигналом.
Еквівалентна схема і параметри каскаду з ОЕ. У режимі посилення малих сигналів транзистор працює на лінійних ділянках характеристик. У цьому випадку розрахунок основних динамічних параметрів проводиться по еквівалентній схемі підсилювального каскаду по змінному струмі для області середніх частот. При цьому ємності переходів транзистора не враховуються, а ємності конденсаторів С1, С2 і Се обрані так, що їх опір в області середніх частот мало і їм можна знехтувати.
Використовуючи Т-образну схему заміщення транзистора з ОЕ, отримують еквівалентну схему заміщення підсилювального каскаду (рис.5.5).
Малюнок 5.5 - Схема заміщення підсилювального каскаду з ОЕ
Еквівалентна схема транзистора представлена фізичними параметрами: rб - об'ємний опір бази (сотні Ом), rе - диференційний опір прямосмещенного емітерного переходу (десяткі_Oм), - диференційний опір назад зміщеного колекторного переходу (сотні кОм), βIб - генератор струму, що відображає залежність струму колектора від струму бази.
За змінним струмом опір джерела живлення дорівнює нулю (Ек - джерело напруги). Тому резистори R1 і Rk з'єднана із загальною шиною. Таким чином, в базовій ланцюга транзистора включені паралельно з'єднані резистори R1 і R2, представлені резистором R = R1║R2, а в колекторної ланцюга включені резистори Rk і Rн.