5. Вопросы и задания для самопроверки

• Какая характеристика связывает между собой временные представления входного и выходного сигналов линейной системы?

• Какая характеристика связывает между собой спектральные представления входного и выходного сигналов линейной системы?

• Дайте определение импульсной и переходной характеристик.

• Дайте определение комплексного коэффициента передачи.

• Что показывает АЧХ и ФЧХ линейных систем?

• Дайте определение полосы пропускания линейной цепи.

• Почему RC-цепь интегрирующего типа можно классифицировать как фильтр нижних частот?

• Каким образом можно измерить АЧХ и ФЧХ линейной системы?

6. Литература

1. Яновский, В. П. Учебное пособие по дисциплине «Электроника» для студентов специальности «Информационные системы и технологии (в экологии)»: эл. версия / В. П. Яновский. – Минск: МГЭУ им. А.Д.Сахарова, 2008. – 126 c.

2. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / С. И. Баскаков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1988 – 448 с.

3. Ефимчик, М. К. Основы радиоэлектроники / М. К. Ефимчик, С. С. Шушкевич. – Минск: Изд-во Университетское, 1986.

Лабораторная работа № 5 усилительные каскады на биполярных транзисторах

Используемые модули: № 1, 7, 13.

1. Цель лабораторной работы

• изучить принцип работы усилительных каскадов с ОЭ, ОБ и ОК;

• снять АЧХ усилительных каскадов;

• измерить входные и выходные сопротивления усилительных каскадов;

• исследовать влияние элементов схемы на параметры и характеристики усилителей.

2. Сведения из теории

Усилитель всегда можно разделить на несколько промежуточных ячеек – каскадов. Источником сигнала для каскада служит генератор или выход предыдущего каскада, а нагрузкой – вход следующего каскада или потребитель усиленного сигнала. Простейший усилитель состоит только из одного каскада. Наибольшее распространение получили резистивно-емкостные каскады (RC-каскады, усилители с емкостной связью).

2.1. RC-каскад с ОЭ

Принципиальная схема RС-каскада с ОЭ на транзисторе типа n-p-n приведена на рис. 2.1.

П ри отсутствии входного сигнала (в режиме покоя усилителя) в цепях эмиттера, коллектора, базы и в цепи делителя напряжения, состоящего из резисторов R1 и R2, протекают постоянные токи, направления которых показаны на рис. 2.1.

В проводах питания протекает постоянный ток: i_ОБЩ = i_КП + i_БП + i_Д.

Постоянное напряжение между коллектором и эмиттером определяется выражением: u_КЭП = E_К – (i_КПR_К + i_ЭПR_Э).

Для нормальной работы каскада необходимо, чтобы постоянные напряжения эмиттер–коллектор u_КЭП, база–эмиттер u_БЭП, а также постоянный ток коллектора i_КП транзистора соответствовали определенным значениям. Их выбирают, исходя из соображений получения наибольшего усиления и минимума потребляемой мощности, что достигается выбором определенных величин сопротивлений резисторов R_Э, R_К, R1 и R2.

При подаче на вход усилительного каскада подлежащего усилению сигнала между базой и эмиттером транзистора создается переменное напряжение, вызывающее изменения токов базы и коллектора. Временные диаграммы работы каскада приведены на рис. 2.1, б.

Усиливаемый сигнал подается на вход каскада через конденсатор С1, назначение которого состоит в предотвращении попадания части текущего через резистор R1 постоянного тока в цепь источника сигнала, которым может быть и усилительный каскад.

Конденсаторы С1 и С2 согласно их назначению называются разделительными. Назначение конденсатора С_Э – обеспечение постоянного напряжения на эмиттере транзистора.

Усилительный каскад с ОЭ имеет большие коэффициенты усиления тока и напряжения. Его недостатком является не слишком большое входное сопротивление.

Ч астотные характеристики каскада с ОЭ в области средних частот. АЧХ усилительного каскада с ОЭ представлена на рис. 2.2.

Область средних частот этого RС-каскада ограничивается нижней ω_Н и верхней граничной частотой ω_В усиления, между которыми коэффициент усиления К₀ не отличается от его максимального значения более чем в раза (рис. 2.2). Постоянство коэффициента усиления на данном участке частотного диапазона свидетельствует о том, что в этой области частотно-зависимые элементы схемы (С1, С2, С_Э) не оказывают влияния на работу каскада.

Частотные характеристики каскада с ОЭ в области нижних частот. Основное влияние на частотную характеристику каскада в области нижних частот оказывают разделительные конденсаторы С1, С2 и конденсатор С_Э (рис. 2.1, а). В области нижних частот емкостные сопротивления разделительных конденсаторов С1 и С2 возрастают настолько, что становятся соизмеримыми с входным и выходным сопротивлениями каскада, образуя частотно-зависимые делители напряжения. Это приводит к ограничению полосы пропускания усилителя снизу и является причиной появления частотных искажений. С уменьшением частоты возрастает емкостное сопротивление конденсатора С_Э в цепи эмиттера, что приводит к появлению отрицательной обратной связи по переменному току, при которой на вход транзистора подается напряжение, пропорциональное току, протекающему в выходной цепи транзистора.

Для уменьшения частотных искажений (расширения частотной характеристики в область нижних частот) необходимо уменьшать нижнюю граничную частоту ω_Н. Это оказывается возможным за счет увеличения емкостей конденсаторов С1, С2 и С_Э, а также с помощью увеличения отрицательной обратной связи входного и выходного сопротивлений усилителя.

Частотные характеристики каскада с ОЭ в области верхних частот. Сопротивления разделительных конденсаторов С1, С2 и конденсатора С_Э (рис. 2.1, а) на верхних частотах стремятся к нулю. Эти конденсаторы не оказывают влияния на работу каскада. Основное влияние на частотную характеристику в этой схеме оказывают частотные свойства транзистора, емкость коллекторного перехода C_К транзистора и емкость нагрузки C_Н (входная емкость последующего каскада и емкость монтажа).

Для расширения полосы пропускания каскада в области верхних частот (увеличения частоты ω_В) и уменьшения частотных искажений необходимо уменьшать емкости C_К и C_Н.

Усилительный RС-каскад с ОЭ имеет разный коэффициент усиления на различных участках частотного спектра. В области низших частот уменьшение коэффициента усиления обусловлено наличием разделительных конденсаторов и конденсатора в цепи эмиттера. В области высших частот уменьшение коэффициента усиления связано с инерционностью транзистора, емкостью коллекторного перехода и емкостью нагрузки.

Переходная характеристика h(t) усилительного каскада наглядно описывает искажения сигнала, возникающие при усилении прямоугольных импульсов. Основными показателями этих искажений считаются: время запаздывания t_З, длительность фронта t_Ф и время спада t_С (рис. 2.3). При повышении верхней граничной частоты ω_В уменьшаются искажения в области малых времен (сокращается время t_З и t_Ф), а при уменьшении нижней граничной частоты ω_Н – в области больших времен (уменьшается спад вершины, т. е. возрастает время t_С).

2.2. RС-каскад с ОБ

Принципиальная схема усилительного каскада с ОБ приведена на рис. 2.4. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, обеспечивающий положительный потенциал базы: смещение эмиттерного перехода в прямом направлении. Конденсатор С3 служит для устранения отрицательной обратной связи по переменному току.

Входное сопротивление каскада с ОБ много меньше входного сопротивления каскада с ОЭ (практически оно не превышает нескольких десятков Ом).

Коэффициент усиления по току каскада с ОБ всегда меньше единицы. Коэффициент усиления по напряжению К_UБ существенно зависит от сопротивления нагрузки и источника сигнала R_C. Для получения большого значения К_UБ необходимо, чтобы R_C стремилось к нулю, а R_Н было большим. Каскад с ОБ не инвертирует входной сигнал.

2.3. RC-каскад с ОК (эмиттерный повторитель)

Схема усилительного RC-каскада с ОК приведена на рис. 2.5. Такой каскад называют также эмиттерным повторителем, поскольку выходное напряжение по величине мало отличается от входного. Цепи смещения здесь те же, что и в предыдущих каскадах.

К оэффициент усиления эмиттерного повторителя по напряжению меньше единицы. За счет большого усиления по току происходит усиление мощности.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя значительно больше входного сопротивления каскада с ОЭ. Его величина ограничивается делителем в цепи базы (рис. 2.5). Чтобы исключить шунтирование входной цепью часто используют цепи смещения без делителя в базе. Обычно входное сопротивление эмиттерного повторителя достигает 100…200 кОм.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя меньше выходных каскадов с ОБ и ОЭ. Каскад с ОК не инвертирует входной сигнал.