технического университета

Одобрено

Редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 1997

Цель работы: экспериментальное изучение основных электрических параметров и характеристик усилительного каскада на биполярном транзисторе.

Основные понятия

Исследования проводится на примере усилительного каскад, в котором биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Принципиальная схема каскада приведена на рис. 1. Полярность постоянного напряжения, подводимого к клемме определяется типом

транзистора (на схеме рис.1 используется транзистор типа ). Входное напряжение от задающего генератора подается на клемму , усиленное напряжение снимается с клеммы .

В состав схемы усилительного каскада, кроме транзистора входят следующие элементы:

- разделительные конденсаторы и обеспечивающие развязку задающего генератора и нагрузки от источника постоянного напряжения , но пропускающие сигнал от задающего генератора и усиленный сигнал в нагрузку;

- резисторы и , образующие длительную цепочку, которая обеспечивает питание входной цепи транзистора от источника и задает точку покоя транзистора;

- резистор в цепи коллектора , с которого снимается усиленное переменное напряжение, передаваемое через конденсатор в нагрузку (резистор );

- резистор в цепи эмиттера , который введен в схему для стабилизации точки покоя на выходной характеристике транзистора в условиях сильной зависимости коллекторного тока от температуры;

- конденсатор , шунтирующий резистор и тем самым исключающий протекание переменного тока через этот резистор, а следовательно, исключающий его стабилизирующие действие на перемещение рабочей точки в течение периода входного каскада, необходимого для обеспечение его усиления.

В настоящий момент лабораторной работе предлагается исследовать передаточные и амплитудно-частотные характеристики усилительного каскада, а также определить значение входных сопротивлений каскада и транзистора.

Передаточной (амплитудной) характеристикой усилителя называется зависимость выходного напряжения от входного напряжения

.

Кроме того, эту характеристику можно представить как зависимость коэффициента усиления по напряжению

.

Ход передаточной характеристики определяется выбором положения точки покоя транзистора на его выходной характеристике, т.е. классом усиления, в котором работает усилитель. Усилительный каскад, схема которого приведена на рис. 1. обычно работает в режиме класса А, при котором точка покоя находится в центральной части рабочей области выходной характеристики транзистора.

Передаточная характеристика усилителя, работающего в режиме класса А, приведена на рис. 2. Ее объяснение целесообразно привести путем графического анализа процесса усиления гармонического сигнала, который иллюстрируется построениями на рис. 3 и 4.

Точки на рис. 3 и 4 соответствуют точки покоя. Точки А и В соответствуют максимальному удалению рабочей точки относительно точки покоя при ее перемещении, которое обусловлено наличием входного сигнала с амплитудой (см. рис. 3). Перемещение рабочей точки на выходной характеристике (рис. 4) происходит по прямой, которая называется линией нагрузки по переменному току. Эта прямая проходит через точку покоя с наклоном к оси тока, тангенс угла которого равен величине сопротивления, на которое нагружен выход транзистора по переменному току.

(1)

Из построения на рис. 3 и 4 видно, что при малом уровне выходного сигнала с увеличением амплитуды напряжения наблюдается увеличение амплитуды выходного напряжения (см. рис. 4). Если перемещение рабочей точки происходит на участках характеристики транзистора, где зависимости токов напряжений можно считать линейными изменение входного напряжение сопровождается пропорциональным изменением выходного напряжения. В этом случае величина коэффициента усиления по напряжению не зависит от уровня входного сигнала. Такой режим усиления называется линейным. В этом режиме не наблюдается искажение выходного сигнала(переменная составляющая напряжение на рис.4 аналогично входному напряжению изменяется во время по гармоническому закону).

Линейный режим усиления имеет место до тех пор пока точка А и В на рис. 4 не достигнут предельных положений: для точки А-это начальные установки вольтамперных характеристик где происходит резкое изменение коллекторного тока при увеличении напряжения , а для точки В-это вольтамперная характеристика соответствующая =0. Дальнейшее увеличение входного напряжения не приводит к увеличению амплитуды переменной составляющей, а временная зависимость этой составляющей будет иметь вид усеченной синусоиды. При этом в зависимости от положения точки покоя может наблюдать искажение формы либо у одной, либо у обеих полуволн выходного сигнала которое сопровождается появлением высших гармоник в его спектре и насыщением амплитуды первой гармоники. Последнее соответствует тому, что с увеличением выходного напряжения коэффициент усиления каскада уменьшается, что иллюстрируется рис.2.Таким образом, при больших уровнях входного напряжения каскада может перейти в режим нелинейного усилия.

Как следует из соотношения (1), наклон линии нагрузки по переменному току зависит от величины сопротивления нагрузки . Увеличение сопротивления сопровождается увеличением угла наклона этой линии к оси коллекторного тока, а следовательно, увеличением амплитуды выходного напряжения и коэффициента усиленная. Наибольшее усиление достигается в режиме холостого хода, когда сопротивление стремится к бесконечности.

Передаточная характеристика снимается для фиксированной частоты входного сигнала, так как усилительные свойства каскада зависят от частоты.

Зависимость коэффициента усиление каскада зависят от частоты входного сигнала при фиксированном его уровне называется амплитудно-частотной характеристикой. На рис. 5 приведен вид этой характеристики для усиления каскада, схема которого представлена на рис. 1.

Полосовые свойства усилителя могут характеризоваться шириной полосы пропускания частоты, т.е. шириной частотного диапазона, где усиление сигнала не зависит от частоты. В идеале в полосе пропускания коэффициент усиления должен оставаться неизменной величиной. Ограничение этой полосы как со стороны высоких, так и стороны низких частот связано с уменьшением коэффициента усиления, что иллюстрируется рис. 5. При этом причины уменьшения усиления на высоких и низких частотах различные.

Ограничение полосы пропускания сигнала в области высоких частот связано с наличием емкости коллекторного перехода у транзистора. Это можно объяснить с помощью эквивалентной схемы усилительного каскада (для переменных составляющих), справедливой для низких частот, при которых сопротивление конденсаторов , и неизбежно мало. В приведенной на рис. 6 эквивалентной схеме пунктиром отмечена та ее часть, которая относится к транзистору. Из схемы видно: емкость коллекторного перехода подключена параллельно эквивалентному генератору тока , на низких частотах сопротивление емкости будет велико и большая часть тока генератора протекает через сопротивление нагрузки , которое в несколько раз меньше, чем сопротивление резистора . По мере увеличения частоты сопротивления емкости уменьшается, шунтирующее действие этой емкости увеличивается. В результате уменьшается величина тока, протекающего через резистор эквивалентной схемы (рис. 6), а следовательно падение напряжения на резисторе , является выходным напряжением каскада.

Уменьшение коэффициента усиления в области низких часто связано о наличием емкостей , и в схеме каскада. Разделительные конденсаторы , включены последовательно с транзистора. При уменьшении частоты их сопротивления увеличиваются, вследствие чего увеличиваются потери напряжения входе и выходе каскада. При уменьшении частоты также уменьшается шунтирующее действие конденсатора . Результатом этого является увеличение части переменного тока эмиттера протекающего через резистор что приводит к уменьшению амплитуды перемещения рабочей точки а, следовательно и усиления.

Границы ширины пропускания частот усилителя могут определятся из условия допустимого уменьшения в полосе, для чего вводятся понятие коэффициента частотных искажений. В частности, для низкочастотной границы полосы пропускания этот коэффициент может быть записан следующим образом:

,

где и - коэффициенты усиления, соответствующие средней частоты полосы пропускания и низкочастотной границе (см. рис. 5).

Величина показывает, во сколько раз уменьшается усиление каскада на частоте по сравнению с усилением в центральной части полосы.

Важным параметром усилительного каскада является его входное сопротивление, определяется о формуле

Как следует из этой схемы, приведенной на рис. 1, ток на входе каскада разделается на три составляющие. Первая составляющая переменного тока протекает через резистор . Вторая составляющая является базовым током транзистора. Третья часть входного тока протекающая через резистор ! и внутреннее сопротивление источника . Величина последнего весьма мала. Поэтому считать, что входное сопротивление каскада равно сопротивлению трех параллельно включенных элементов: резисторов и транзистора

(2)

где - входное сопротивление транзистора.

Описание экспериментальной установки

Техника эксперимента

На рис. 7. представлена электрическая схема экспериментальной установки.

Резистор кОм; резистор кОм; резистор кОм; переменный резистор кОм (ППБ-3А 0877), резистор кОм; резистор кОм; конденсаторы мкФ (МБГ4-1); конденсатор мкФ (к50-6); - вольтметр детекторной системы на напряжение (210) В, предназначенной для измерение выходного напряжения ; вольтметр магнитно электрической системы на напряжение ()В, предназначенный для измерения напряжения смещения ; - миллиамперметр детекторной системы на ток , предназначенный для измерения тока в ; транзистор типа МП25Б; выключатель, предназначенный для отключения напряжения смещения звуковой генератор синусоидальных сигналов, служащий входного сигнала на усилитель: осц. – осциллограф типа CI-68 или другой марки, предназначенный для определения формы выходного сигнала. В установке предусмотрено применение транзистора типа с допустимым напряжением Питание усилителя производится от постоянного напряжения величиной в . Величина входного напряжения и его частота измеряются соответственно вольтметром, установленным на , и по частотному лимбу звукового генератора

Методика эксперимента.

1. Установка оптимального напряжения смещения, при котором усилитель работает в режиме , производится с помощью потенциометра. . Плавно увеличивая напряжение и изменяя потенциометром напряжение смещения , добиться, чтобы амплитуда выходного сигнала была наибольшей и не имела искажения синусоидальной формы. Искажения амплитуды выходного сигнала определяется с помощью осциллографа.

2. Определение амплитудных характеристик производительность для диапазона входного сигнала от нуля до полного насыщения усилителя, когда и не будут изменяться при увеличении входного сигнала.

3. Частотную характеристику определять при работе усилителя в режиме на линейном участке.

4. Перевод усилителя из режима в режим производится выключение выключателя .

5. Точность измерений напряжений оценивается путем определения абсолютной максимальной погрешности , где класс точности прибора в процентах; верхний предел измерения вольтметра.

Требования по технике безопасности

при выполнении лабораторной работы

1. Включать стенд и осциллограф можно только с разрешения преподавателя. Первичное включение производится только в присутствии преподавателя.

2. Запрещается нажимать на кнопки и вращать ручки на стенде, и вращать ручки на стенде, использование которых не предусмотрено в конкретной лабораторной работе.

3. Нельзя оставлять без присмотра работающую лабораторную установку. После окончания работы выключить стенд и осциллограф.

Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую схему установки, показанную на рис. 7, подключить измерительные приборы, (кроме миллиамперметра ), осциллограф Осц. Подать напряжение с выхода звукового генератора на вход усилителя, шкалу выходного напряжения установить , подать на установку постоянное напряжение 16 воль

2. Установить оптимальное напряжение смещения , определить максимальный входной сигнал , при котором сохраняется синусоидальность формы выходного сигнала.

3. Снять амплитудную характеристику и диапазона входного сигнала () .Зарисовать с осциллографа форму выходного сигнала при . Частоту входного сигнала задает преподаватель. Построить график амплитудной характеристики и график коэффициента усиления по напряжению как функция от .

4. Снять амплитудно-частотную характеристику при изменении от до Гц и построить график. Эту характеристику определить при .

5. Последовательно резистору подключить миллиамперметр и снять амплитудную характеристику при нарастании входного сигнала от до для частоты заданной преподавателем. Построить график .

6. С помощью выключателя отключить напряжение смещения, тем самым перевести усилитель в режим .

Снять амплитудную характеристику при падении от до .

Зарисовать с помощью осциллографа форму выходного сигнала при отсутствии насыщения усилителя и при насыщении построить графики и .

Порядок выполнения эксперимента

и обработки результатов

1. Исследование передаточной (амплитудной) характеристики усилительного каскада

Снятие характеристик проводится на частоте кГц, для трех случаев:

а) с включенным конденсатором в цепи эмиттера (кнопка нажата) и подключенной нагрузке ком (кнопка нажата);

б) с включенным конденсатором в цепи эмиттера (кнопка нажата) и отключенной нагрузке (кнопка отжата);

Содержание и оформление отчета по работе

Отчет должен содержать:

- наименование лабораторной работы:

- формулировку цели работы;

- электрическую схему исследуемого устройства;

- таблицы, графики и результаты расчетов, предусмотренные порядком выполнения работы;

- вывод по работе.

Оформление отчета должно быть аккуратным, его иллюстративный материал должен выполняться с использованием чертежных принадлежностей.

Контрольные вопросы.

1. Какое устройство называется усилителем?

2. Объясните названия элементов в схеме исследуемого усилительного каскада.

3. Каковы основные электрические параметры характеристики усилителя?

4. С помощью графических построений на входной и выходной характеристиках транзистора объясните принцип работы усилительного каскада в режиме каскада А.

5. Объясните вид типичной передаточной характеристики усилительного каскада работавшего в режиме каскада А.

6. Объясните вид типичной амплитуды-частного характеристики усилительного каскада.

7. Объясните переход от принципиальной схеме (рис. 1) к эквивалентной схеме (рис.6).