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 повышении температуры;

С _Э1, С _Э2 – шунтирующие конденсаторы для устранения отри-

цательной 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

, (15)

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 (16)

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 (17)

Из выражения (29) 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 (18)

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 (18). 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 (30), 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 19)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 (19)

При отсутствии входного сигнала (u _ВХ = 0) входной ток i _ВХ = 0 и на резисторе R 2 создаётся постоянное напряжение (см. выражение 28), определяющее 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 (20)

Усиленное выходное наполнение U _ВЫХ снимается с участка коллектор-эмиттер первого транзистора и через разделитель­ный конденсатор С2 подается на вход второго усилительного ка­скада. Здесь 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 (19) 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. рисунок 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

. (21)

Тогда напряжение обратной связи, снимаемое с резистора R _Э1,

(22)

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