Лабораторная работа 10

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА

БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Цель и содержание

Цель работы: Изучение принципа действия и определение основных параметром усилителя напряжения на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером.

Содержание работы:

1. Изучить принцип действия усилителя напряжения на биполярном транзисторе, включенным по схеме с общим эмиттером.

2. Экспериментально провести расчет элементов схемы усилителя и определить ее основные параметры.

Теоретическое обоснование

Каскады усилителей напряжения чаще всего выполняют на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ) – рисунок 1, так как при этом получают наибольшее усиление сигнала по мощности (по сравнению с двумя другими схемами включения транзистора – с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК)). Рабочую точку усилительного каскада выбирают в зависимости от параметров, которыми должен обладать усилитель. Основными требованиями, предъявляемыми к каскаду, являются: максимальное усиление по напряжению; минимальные частотные и нелинейные искажения; высокая экономичность; температурная стабильность.

Одновременно выполнить все эти требования невозможно. Так, при большом усилении снижается устойчивость работы усилителя, который легко возбуждается, превращаясь в генератор, и нарушается его нормальное функционирование. Увеличение температурной стабильности обязательно сопровождается снижением усиления и КПД.

Рисунок 1 – Усилительный каскад на транзисторе по схеме с ОЭ

В данной работе исследуется усилитель, к которому предъявляют требования минимальных искажений усиливаемого сигнала при максимальном использовании возможностей транзистора. Рабочую точку такого каскада выбирают в определенной последовательности:

1. На семействе выходных характеристик транзистора (рисунок 2а) строят линию нагрузки «БВ», исходя из следующих условий:

или

(1)

Выполнение неравенства (1) необходимо потому, что коллекторный ток насыщенного транзистора должен быть меньше максимально допусти­мого тока . Коэффициент «0,8» гарантирует выполнение этого неравенства при разбросе сопротивления резистора R_К и нестабильности источника питания E_K. Выполнение неравенства (2) обеспечи­вает надежную работу транзистора в режиме отсечки или при обрыве це­пи резистора R₁, когда напряжение на коллекторе транзистора подни­мается до значения E_K.

Рисунок 2 – Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора

Рабочая точка каскада «А» (Р.т) выбирается посередине рабочего участка линии нагрузки «БВ» и характеризуется тремя параметрами: тока­ми и , напряжением . Затем ее переносят на входную характеристику транзистора, снятую при , и по найденному значению определяют напряжение (рисунок 2, б).

Входной сигнал (его ток I_Б~ и напряжение U_БЭ~) вызывает по­явление переменных составляющих тока коллектора I_К~ и напряжения на коллекторе U_KЭ~=I_K~ * R_К (рисунок 1). Эмиттерный резистор R_Э из цепи переменного тока исключен, так как шунтируется малым соп­ротивлением конденсатора С_Э.

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению К_U каскада. Напря­жение входного сигнала U_ВХ генератора «G» поступает через раз­делительный конденсатор С₁ на базу транзистора VT₁ и вызывает три тока. Два из них, проходящие через резисторы R₁ и R₂ делите­ля, бесполезны, а третий, I_Б~, проходит в цепи базы транзистора и управляет его токами. Входным сопротивлением каскада для генера­тора «G», обладающего внутренним сопротивлением R_I, являются параллельно включенные резисторы базового делителя R₁||R₂ и входное сопротивление R_ВХ транзистора, т.е.:

(3)

Обычно сопротивления резисторов R₁ и R₂ значительно больше входного сопротивления h_1IЭ транзистора, поэтому формулу (3) можно упростить:

(4)

Цепь генератора входного сигнала «G», которым может быть кас­кад предварительного усиления, аналогичный рассматриваемому, представляет собой последовательно включенные внутреннее соп­ротивление R_I генератора и входное сопротивление R_ВХ каскада.

Согласно формуле (4):

,

так как переменными токами, проходящими через резисторы R₁ и R₂ от генератора «G» ввиду их малости можно пренебречь. Отсюда переменная составляющая тока коллектора:

,

а напряжение на коллекторе, представляющее собой выходное напряжение, определяется как

.

Тогда коэффициент усиления по напряжению:

Этот параметр усилителя зависит от частоты и амплитуды усили­ваемого сигнала. Это объясняется тем, что с понижением частоты па­дения напряжения на конденсаторах С₁ и С₂ под действием входного и выходного токов каскада увеличиваются и представляют собой потери напряжения сигнала, а конденсатор С₃ все меньше шунтирует резистор R₄, что увеличивает полное сопротивление эмиттерной цепи транзис­тора и глубину отрицательной обратной связи по переменному току, а, следовательно, уменьшает коэффициент усиления напряжения «К».

При повышении частоты сигнала необходимо учитывать влияние вы­ходной и входной емкостей транзистора, шунтирующих выходное и вход­ное сопротивления каскада, что проявляется уменьшением полезного тока, поступающего на его вход и в нагрузку (на рисунке 1 одна из та­ких емкостей эквивалентно представлена конденсатором С₄).

Для оценки влияния частоты сигнала на коэффициент усиления нап­ряжения, используют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усили­теля (рисунок 3, а).

Рисунок 3 – Амплитудо-частотная (а) и амлитудная (б) характеристики

Полосой пропускания усилителя называют интервал частот П=f_в-f_н, в пределах которого коэффициент усиления снижается не более чем на 3дБ (до уровня 0,707) по отношению к его значению на средних частотах K₀ (для УЗЧ частота f_ср= 400-1000 Гц).

Важна также амплитудная характеристика (АХ) усилителя, выражающая зависимость выходного сигнала от входного (рисунок 3, б). Так как участок «0-1» линейный, то коэффициент усиления до напряжения сохраняет постоянное значение. Начиная с точки «1» рост выходного сигнала отстает от роста входного. Это объяс­няется тем, что рабочая точка транзистора под действием входного сиг­нала выходит за пределы рабочего участка «БВ» линии нагрузки (рисунок 2, а). При этом резко возрастают нелинейные искажения.

Зная параметры транзистора в рабочей точке, можно рассчитать сопротивления резисторов R₁ и R₂ базового делителя. Ток де­лителя должен быть в 2 - 5 раз больше тока базы . Такой делитель позволяет выполнить достаточно стабильный при изменении температуры каскад при одновременном выполнении требования эконо­мичности.

На резисторе R₂ делителя должно действовать напряжение

, (5)

Откуда сопротивление

. (6)

тогда . (7)

Так как, выбранная рабочая точка находится посередине рабочего участка «БВ» линии нагрузки, то это позволяет подавать на вход каскада, и снимать с его выхода максимальные сигналы. Нередко рабочую точку выбирают ближе к точке «В». При этом каскад потребляет от источника E_K значительно меньшую мощность и способен усиливать только небольшие по амплитуде сигналы, так как сохраняется требование о недопустимости смещения рабочей точки за пределы рабочего участка линии нагрузки. Обычно так выполняются предварительные расчеты усилительного каскада.