Схема исследуемого усилителя

 

В лабораторной работе проводится исследование двухкаскадного транзисторного усилителя переменного тока с RC –связью, схема которого приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема транзисторного усилителя с RС – связью

Назначение элементов схемы:

R1и R2, R3 и R4 – делители напряжения;

R_К1, R_К2 – резисторы нагрузки;

С1… С5 – разделительные конденсаторы;

R_Э1, R_Э2 – резисторы цепи эмиттера для стабилизации точки

покоя при изменении температуры;

С_Э1, С_Э2 – шунтирующие конденсаторы для устранения

отрицательной обратной связи по переменному току.

Каскады усиления по составу и назначению элементов одинаковы, поэтому рассмотрим работу элементов первого каскада, используя фрагмент схемы, приведенный на рис. 6.

Делитель напряжения, состоящий из последовательно включенных резисторов R1и R2, а также резистор R_Э1 образуют цепи смещения и температурной стабилизации точки покоя. При отсутствии входного сигнала (U_ВХ=0) по делителю напряжения протекает ток делителя I_Д, равный

, (16)

а по резистору R_Э1 ток эмиттера I_Э.

Рис. 6. К пояснению работы входной

цепи транзистора

Токи делителя и эмиттера создают на соответствующих резисторах падения напряжения

U_R2 = I_Д× R₂; U_RЭ1 = I_Э× R_Э1. (17)

Напряжение U_R2 приложено к цепочке из двух последовательно включенных сопротивлений: резистора R_Э1 и p-n перехода транзистора. Следовательно, в соответствии с законом Кирхгофа при указанных на рис. 6 направлениях токов I_Э и I_Б, можно записать:

U_R2 = U_RЭ1 + U_БЭ . (18)

Из выражения (18) можно найти напряжение смещения [4], приложенное к эмиттерному переходу (при U_ВХ=0):

U_БЭ = U_R2 – U_RЭ1= U_R2 – I_Э× R_Э1. (19)

При этом сопротивления резисторов R1и R2 выбирают так, чтобы ток делителя I_Д, протекающий через них, был в несколько раз больше тока базы I_Б при отсутствии входного сигнала. Обычно принимают I_Д» 5× I_Б. .

Необходимость выполнения этого условия объясняется тем, что при параллельном включении резисторов (в данном случае R2 | | R_Э1+ R_p-n) общее сопротивление определяется наименьшим из них. При выполнении условия R2 < (R_Э1+ R_p-n) незначительные изменения большего сопротивления Б-Э перехода транзистора не приведет к существенному изменению сопротивления нижнего плеча делителя напряжения, что в итоге обеспечивает поддержание напряжения U_R2 » const

Рассмотренная схема с делителем напряжения на входе называется схемой смещения фиксированным напряжением (т.к. U_R2 » const)

Однако это напряжение, как было показано выше, не подается непосредственно на вход транзистора. Наличие резистора R_Э1 в цепи эмиттера определяет особенность подачи напряжения смещения между базой и эмиттером транзистора, что видно из выражения (19). Такое решение позволяет не только задать режим работы транзистора, но и обеспечить его постоянство в условиях значительного изменения параметров транзистора под действием температуры. Поэтому схему, содержащую резистор R_Э1 в цепи эмиттера называют схемой эмиттерной температурной стабилизации.

Действительно, с увеличением температуры ток эмиттера I_Э увеличивается, поэтому увеличивается падение напряжения на резисторе U_RЭ1. Напряжение на резисторе R2от окружающей температуры не зависит (так как не зависят от температуры параметры Е_К, R1и R2). Поэтому, как следует из выражения (19), с возрастанием температуры и ростом тока I_Э, напряжение смещения U_БЭ автоматически уменьшится. Уменьшение напряжения U_БЭ приводит к снижению ба­зового, а следовательно и коллекторного, тока. В результате этого режим работы транзистора будет восстановлен.

Рассмотренное выше влияние выходного токаэмиттера I_Э на входные цепи для термостабилизации точки покоя является не чем иным, как проявление отрицательной обратной связи по постоянному току .

Напряжение обратной связи создается на резисторе R_Э1и оно пропорционально току эмиттера (т.к. U_ОС = U_RЭ1 = I_Э× R_Э1). Для определения знака обратной связи достаточно обозначить полярность напряжений на резисторах R_Э и R₂ (как показано на рис 6)и сравнить их действие на транзистор. Здесь напряжение обратной связи U_ОС = U_RЭ1 и входное напряжение u_ВХ = U_R2по своему действию находятся в противофазе: напряжение u_ВХ, приложенное к транзистору в указанной на резисторе R₂ полярности, стремится его открыть, а U_ОС = I_Э× R_Э1– закрыть (т.к. ­ I_Э и U_ОС является обратным дляp-nперехода). Следовательно, в данном случае имеет место отрицательная обратная связь (ООС) по току (I_Э). Такая обратная связь называется мест­ной, так как она действует только для одного каскада усиления

ООС уменьшает коэффициент усиления каскада (усилителя) для сигнала, её вызвавшего (например, для температурных (вредных и медленных! ) изменений тока I_Э) и это её достоинство. В то же время при наличии входного сигнала u_ВХ соответствующие ему изменения тока базы DI_Б вызывают увеличенные в b раз изменения тока коллектора и эмиттера (полезные и быстрые) DI_Э » DI_К = b× DI_Б, которые тоже будут формировать на резисторе R_Э ООС, но уже не желательную.

Для устранения этой отрицательной обратной связи по переменному току при наличии входного сигнала, резистор R_Э1 шунтируют конденсатором С_Э1. Его емкостное сопротивление на частоте входного сигнала должно быть значительно меньше сопротивления резистора R_Э1 (т.е. х_СЭ < < R_Э).

Усилитель работает следующим образом (см. рис. 5). Входной сигнал ~ u_ВХ поступает на делитель переменного напряжения, состоящий из конденсатора С1 и резистора R2. Как мы видим, этот резистор является нижним плечом двух делителей напряжения: постоянного тока (от Е_К) и переменного (от u_ВХ). Следовательно, возникающее на нём падение напряжения определяется токами, создаваемыми этими источниками. Поскольку ток делителя смещения I_Д течёт всегда в одном направлении (от плюса Е_К к его минусу), а направление входного тока i_ВХ определяется фазой входного напряжения u_ВХ и дважды изменяется за период, можно записать условия формирования напряжения на резисторе R2:

U_R2 = (I_Д ± i_ВХ ) × R₂. (20)

При отсутствии входного сигнала (u_ВХ = 0) входной ток i_ВХ = 0 и на резисторе R2 создаётся постоянное напряжение, определяющее (см. выражение (19)) начальное положение рабочей точки.

С приходом входного сигнала (u_ВХ ¹ 0) входной ток i_ВХ то складывается с током делителя смещения I_Д, то вычитается из него, вызывая соответствующие изменения напряжения U_R2. Это изменяющееся напряжение подается на участок база-эмиттер транзистора VT1 (влияние резистора R_Э1 на частоте сигнала исключено подключённым к нему конденсатором С_Э1) и изменяет ток базы I_Б в большую и меньшую стороны относительно начального его значения.

Изменение тока базы во входной цепи транзистора вызывает значительно большие изменения тока коллектора I_К в выходной цепи (напомним, что I_К = b × I_Б, где b – коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ, достигающий значений 100 ¸ 1000). Этот ток, проходя по резистору нагрузки R_К, создаёт на нём изменяющееся выходное напряжение усилительного каскада в соответствии с уравнением динамического режима:

U_КЭ1 = Е_К – I_К1 R_К1. (21)

Усиленное выходное напряжение U_ВЫХ снимается с участка коллектор-эмиттер первого транзистора и через разделитель­ный конденсатор С2 подается на вход второго усилительного ка­скада. Здесь все рассмотренные процессы повторяются, сигнал еще больше усиливается и через конден­сатор С3 поступает на выход.

Если на вход первого каскада усилителя поступает положительная (относительно общего провода! ) полуволна входного сигнала, то в соответствии с выражением (20) напряжение на резисторе R2 уменьшается (т.к. i_ВХ течет по R2 сверху вниз и вычитается из I_Д) и, следовательно, уменьшается напряжение U_БЭ = U_R2 – U_RЭ, что вызывает прикрывание транзистора (относительно исходного состояния при u_ВХ = 0). Это сопровождается уменьшением коллекторного тока I_К1. В свою очередь падение напряжения на сопротивлении резисто­ра R_К1 за счет уменьшающегося коллекторного тока I_К1, уменьшается, а напряжение на коллекторе U_КЭ1 по абсолютной величине увеличивается (см. выражение (8)), т.е. формируется отрицательная полуволна выходного напряжения. При поступлении отрицательной полуволны входного сигнала картина меняется на обратную. Из этого следует, что усилительный каскад по схеме с ОЭ наряду с уси­лением входного сигнала меняет его фазу на 180°. Говорят, что входной и выходной сигналы находятся в противофазе.

Рассмотрим частотную характеристику усилителя (см. рис. 2, б). В области средних частот коэффициент усиления максимальный. При понижении частоты входного сигнала емкостное сопротивление (см. формулу (5)) разделительных конденсаторов С1, С2, С4 возрастает (так же, как и остальных конденсаторов, входящих в схему усилителя). Поэтому падение напряжения на этих конденсаторах под действием переменного тока увеличивается. В результате этого уменьшается выходное напряжение, снимаемое с резисторов R2 и R4 после разделительных конденсаторов, как элементов делителей переменного напряжения. Так как входное напряжение не изменяется, а выходное уменьшается, то, следовательно, уменьшается и коэффициент усиления.

Кроме того, с понижением частоты усиливаемого сигнала увеличивается также и емкостное сопротивление шунтирующих конденсаторов С_Э. В результате этого увеличивается отрицательная обратная связь по переменному току, так как теперь конденсаторы С_Э будет оказывать переменному току большее сопротивление, чем на средних частотах, и меньше шунтировать резистор R_Э, на котором создается ООС. Снижение коэффици­ента усиления тем больше, чем ниже частота входного сигнала.

С увеличением частоты входного сигнала емкостное сопротивление разделительных, конденсаторов уменьшается настолько, что падением напряжения на них уже можно пренебречь. Существенное влияние на работу усилителя, как было показано выше, начинают оказывать емкость коллекторного р-n перехода транзистора и шунтирующий конденсатор С_Э. Сопротивление этих элементов становится настолько малым, что они шунтируют выходную цепь усилительного каскада. А это приводит к снижению коэффициента усиления.

Для уменьшения спада частотной характеристики в области низких частот емкость разделительного конденсатора увеличивают до десятков микрофарад. В области верхних частот уменьшения спада частотной характеристики можно достигнуть снижением величины сопротивления нагрузки.

Выше была, рассмотрена местная обратная связь. Кроме местной ОС существует и общая обратная связь, связывающая выход всего усилителя с его входом. Действительно, последовательное соединение резисторов R5 и R_Э1 является делителем напряжения для выходного сигнала U_ВЫХ. Напряжение обратной связи создается на резисторе R_Э1. При любой полярности входного сигнала напряжение обратной связи и напряжение входного сигнала будут находиться в противофазе, следовательно, обратная связь будет отрицательной. Напряжение обратной связи можно определить так. Ток, протекающий по делителю напряжения, состоящего из R5 и R_Э1, равен

. (22)

Тогда напряжение обратной связи, снимаемое с резистора R_Э1,

(23)

будет пропорционально напряжению выхода. Следовательно, имеем отрицательную обратную связь по напряжению. Введение общей отрицательной обратной связи позволяет увеличить диапазон рабочих частот (полосу пропускания) усилителя.

Порядок выполнения работы

4.3.1. Исследование усилителя без обратной связи

1. Собрать схему усилителя (см. рис. 5 на стр. 48) и подключить генератор сигналов к входу усилителя и вольтметр переменного напряжения к выходу.

2. Включить питание лабораторной установки

3. Снять амплитудную характеристику усилителя U_ВЫХ = f ( U_ВХ)

при f_ВХ =const и определить коэффициенты усиления первого каскада и всего усилителя в целом без обратных связей, для чего:

а) переключатели S1и S3 установить в положение “ 2 ”;

б) переключатель S2 установить в положение “ 2 ”;

в) подать от генератора на вход первого каскада сигнал заданной

частоты f_ВХ = 400 Гц = const;

г) изменяя величину входного напряжения в пределах от 0 до 50 мВ с шагом 5 мВ, измерять со­ответствующие величины выходного напряжения;

д) результаты измерений свести в таблицу 1.

Таблица 1 ─ Амплитудная характеристика усилителя

U_ВЫХ = f(U_ВХ) при f_ВХ = 400 Гц = const

 

UВХ, мВ			- - -
без ООС	UВЫХ, В			- - -
КU			- - -
с ООС	U ООСВЫХ, В			- - -
К OOCU " v			- - -

4. Определить частотные характеристики усилителя, для чего:

а) выполнить подпункты “а”, “б” пункта3;

б) подать на вход усилителя переменное напряжение заданной

величины U_ВХ = const;

в) изменяя частоту входного сигнала в диапазоне от 0, 02 до 200

кГц, измерять величину выходного напряжения усилителя U_ВЫХ;

г) результаты измерений свести в таблицу 2.

Таблица 2 ─ Частотная характеристика усилителя

U_ВЫХ = f(f_ВХ) при U_ВХ = const

Частота, кГц	0, 02	0, 08	- - -
без ООС	СЗ, С5	UВЫХ, В			- - -
КU			- - -
с ООС	С2, С4	U ООСВЫХ, В			- - -
К OOCU			- - -
СЗ, С5	U ООСВЫХ, В			- - -
К OOCU			- - -

Исследование усилителя

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. А-общий вид; б-принципиальная схема; 1-неоновая лампа; 2- шунтирующее сопротивление; 3-добавочное сопротивление; 4-корпус.
2. Автоматическая схема переключения шин.
3. Алгоритм линейной структуры и его блок-схема.
4. Вопрос 2. Структура и организация платежной системы. Базовая схема операции с банковской кредитной карточкой.
5. Глава 4. Схема нейропсихологического обследования дошкольников и процедура анализа результатов
6. Исследование свойств и характеристик операционного усилителя
7. Как воспитывать гендерно не схематизированных детей?
8. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРИВОДА
9. Классическая схема налогообложения
10. Комплекс мотивов и сюжетная схема
11. Компоновочная схема и выбор способа смазывания передач и подшипников.
12. Логическая схема принятия решения на применение оружия