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:

R 1и R 2, R 3 и R 4 – делители напряжения;

R _К1, R _К2 – резисторы нагрузки;

С 1… С 5 – 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 R 1и R 2, 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× R ₂; 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 R 1и R 2 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 R 2 | | R _Э1+ R _p-n) общее сопротивление определяется наименьшим из них. При выполнении условия R 2 < (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 R 2от окружающей температуры не зависит (так как не зависят от температуры параметры Е _К, R 1и R 2). 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 R ₂ (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 _R2 по своему действию находятся в противофазе: напряжение u _ВХ, приложенное к транзистору в указанной на резисторе R ₂ полярности, стремится его открыть, а U_ОС = I _Э× R _Э1 – закрыть (т.к. ­ I _Э и U_ОС является обратным для p-n перехода). 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 D I _Б вызывают увеличенные в b раз изменения тока коллектора и эмиттера (полезные и быстрые) D I _Э» D I _К = b ×D I _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 С 1 и резистора R 2. 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 R 2:

U _R2 = (I _Д ± i _ВХ) × R ₂. (20)

При отсутствии входного сигнала (u _ВХ = 0) входной ток i _ВХ = 0 и на резисторе R 2 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 VT 1 (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 R 2 уменьшается (т.к. i _ВХ течет по R 2 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 С 1, С 2, С 4 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 R 2 и R 4 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 R 5 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.