Краткие теоретические сведения. Тема: Исследование режимов работы усилителей на транзисторах по постоянному и переменному токам

Лабораторная работа №5

Тема: Исследование режимов работы усилителей на транзисторах по постоянному и переменному токам

Цель: Научить измерять режимы работы усилительных каскадов и производить оценку их влияния на параметры сигналов и коэффициенты усиления.

Оборудование: ПЭВМ, программа Electronics Workbench 5.12.

Краткие теоретические сведения

Устройство, предназначенное для увеличения мощности входных электри­ческих колебаний с сохранением их формы и частоты за счет использования энергии внешнего источника питания, называется электронным усилителем (усилителем). Минимальную часть усилителя, способную повышать мощность электрических колебаний, принято называть усилительным каскадом. Усили­тель может состоять из нескольких последовательно соединенных усилитель­ных каскадов, расположенных на одном полупроводниковом кристалле.

Структурная схема усилительного каскада (рисунок 1) содержит усилительный элемент, к входным зажимам которого подключен источник вход­ного сигнала Е_г с внутренним сопротивлением R_г, а к выходным – нагрузка (как правило, активная) R_н.

Рисунок 1 – Структурная схема усилительного каскада

Источником входного сигнала усилителя может быть предыдущий каскад, а нагрузкой – последующий каскад.

Усилительный каскад ОЭ. Полупроводниковая техника на дискретных (отдельных) компонентах содержит ряд вариантов выполнения усилительного каскада на транзисторе с ОЭ (усилительного каскада ОЭ). Принцип действия усилительных каскадов ОЭ рассмотрим на примере наи­более распространенной схемы рисунок 2. На входе каскада действуют уси­ливаемые переменные ток i _вх и напряжение u _вх, а на выходе – усиленные переменные ток i _н и напряжение u _вых (здесь и далее аргумент t у функций токов и напряжений для упрощения опущен).

В этой схеме усилительного каскада конденсаторы С₁ и С₂ – разделительные. Конденсатор С₁ препятствует протеканию постоянного тока от ис­точника питания Е_к в цепь источника входного сигнала. Конденсатор С₂ обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей, поступающей на резистор нагрузки R_н. Резисторы базового делителя напряжения R₁, R₂ задают режим покоя транзистора, при котором в нем протекают только постоянные токи покоя базы I_бп, коллектора I_кп и эмиттера I_эп, а на его базе, коллекторе и эмиттере соответственно действуют постоян­ные напряжения покоя U_бп и U_эп.

Рисунок 2 – Схема усилительного каскада ОЭ

Резистор R_э и делитель R₁, R₂ составляют цепь отрицательной обрат­ной связи (ООС), предназначенную для стабилизации режима покоя транзи­стора при изменении его температуры (для термостабилизации). Под об­ратной связью (ОС) понимают процесс передачи части выходного сигнала на вход усилительного каскада (теория обратной связи будет рассмотрена в следующих разделах).

Действие обратной связи объясняется следующим образом. При увеличении, например, из-за роста температуры тока коллектора покоя I_кп возрас­тают ток эмиттера покоя I_эп и падение напряжения на резисторе R_э, посколь­ку U_эп = I_эпR_э. Так как напряжение между базой и землей (база-земля) U_бп – фиксировано базовым делителем R₁, R₂, и U_бп = U_бэп + U_эп, то с увеличением напряжения U_эп уменьшается напряжение U_бэп. Это приводит к призакрыванию транзистора, уменьшению тока базы покоя I_бп и, следовательно, сниже­нию тока коллектора покоя I_кп. Тем самым производится компенсация пер­воначального увеличения тока коллектора покоя.

Включение резистора R_э, в цепь эмиттера изменяет работу каскада и при усилении переменного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на рези­сторе R_э падение напряжения u_э = i _эR_э, которое уменьшает усиливаемое на­пряжение, подводимое к базе транзистора, ведь u_бэ = u_вх – u_э. При этом сни­жается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по переменному току. Для ее исключения резистор R_э шунтируют конденсатором С_э достаточно большой емкости. Поскольку сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает падения напряжения на резисторе R_э.

В режиме покоя транзистора расчет параметров каскада по постоянному току (т.е. при отключенном входном сигнале) проводят графоаналитическим методом с использованием статических выходных и входных ВАХ транзи­стора (рисунок 3). Этот метод очень нагляден и удобен при нахождении связи параметров режима покоя каскада (U_кп и I_кп) с амплитудными значениями его переменных составляющих – выходного напряжения U_{вых m} и коллек­торного тока I_{к m}.

(1)

При расчетах каскада ОЭ на выходных характеристиках транзистора (рисунок 3, а) проводят линию нагрузки по постоянному току (линия 1-2), положение которой определяется вторым законом Кирхгофа для коллектор­ной цепи каскада:

Е_к = U_кп + I_кп (R_к + R_э).

Данную линию можно провести из точки Е_к под углом g = arcctg(R_к + R_э) (рисунок 3, а), на практике же ее строят по двум точкам, характеризующим режимы холостого хода (точка 1) и короткого замыкания (точка 2) в коллекторной цепи транзистора. Для точки 1: ток и напряжение холостого хода I_кх = 0, U_кх = Е_к; для точки 2: напряжение и ток короткого замыкания U_кз = 0; I_кз = Е_к/(R_к + R_э).

При расчетах любые значения тока I_кп и напряжения U_кп определяются точками пересечений (рабочими точками) выходных характеристик с лини­ей нагрузки по постоянному току. Одна из этих точек, полученная для за­данного тока базы покоя I_бп, называется точкой покоя и обозначается бук­вой П (рисунок 3, а). Используя координаты точки покоя П, можно опреде­лить ток коллектора покоя I_кп напряжение коллектора покоя U_кп и падение напряжения на резисторе R_к, равное U_Rк = I_кпR_к. Отметим, что транзистор работает в этом случае в активном режиме.

(2)

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режи­ме усиления (с подключенными входным сигналом и нагрузкой) используют линию нагрузки по переменному току (динамическую линию нагрузки). Если учесть, что сопротивления источника питания Е_к и конденсатора С₂ по переменному току малы, то сопротивление нагрузки по переменному току будет определяться параллельно включенными резисторами R_к и R_н:

R_кн = R_кR_н/(R_к + R_н).

Рисунок 3 – Графический анализ работы каскада ОЭ с помощью

характеристик транзистора: а – выходных; б – входной

Поскольку в режиме усиления входного сигнала токи в напряжения транзистора состоят из суммы постоянных и переменных составляющих, то линия нагрузки по переменному току тоже пройдет через точку покоя П. И поскольку R_кн < R_к, то линия будет находиться под углом g_н = arcctgR_кн, большим, чем угол g. Для ее построения на оси абсцисс отмечают точку 3, где формально напряжение равно сумме U_кн + I_кпR_кн, и через нее и точку Ппроводят прямую (штриховая линия 3–4 на рисунке 3, а).

С целью упрощения расчетов принцип действия каскада ОЭ рассмотрим при отключенной нагрузке R_н (режим холостого хода по переменному току). При подаче на вход каскада переменного напряжения u_вх переменный ток базы i _б будет изменяться в соответствии с входной характеристикой (рисунок 3, б). Одновременно с этим и по такому же закону станет менять свои значения переменный ток коллектора. Так, например, при увеличении ам­плитуды входного напряжения возрастет ток базы i _б. Поскольку ток коллек­тора i _к = h₂₁ i _б (h₂₁ составляет 50...75), то он тоже возрастет. В результате уве­личивается падение переменного напряжения на резисторе R_к (ведь U_Rк = i _кR_к), а переменное напряжение на коллекторе u_кэ = u_вых = Е_к – i _кR_к уменьшается. При уменьшении же входного напряжения картина меняется на обратную. Из проведенного анализа следует, что каскад ОЭ наряду с усилением мощ­ности изменяет фазу входного сигнала на 180° (рисунок 3).

Точно таким же образом работает схема и при подключении нагрузки R_н, однако переменный коллекторный ток при этом распределяется между резисторами R_к и R_н, что естественно снижает усиление.

При использовании каскада ОЭ для усиления мощности необходимо учитывать параметры предельно допустимых режимов работы транзисто­ра. Таких параметров три и они строятся на выходных характеристиках (рисунок 3, а). Кривая допустимой мощности рассеяния строится по формуле Р_кдоп = U_кэI_к и представляет собой гиперболу, а линии допустимых коллек­торного тока I_кдоп и напряжения коллектор-эмиттер (U_кдоп — прямые, парал­лельные осям координат.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема каскада ОЭ

В целях исключения иска­жений формы выходного сигнала необходимо обеспечить такой режим работы транзистора, что­бы рабочая точка, перемещаясь по линии нагрузки, не выходила за пределы напряжения насыщения (∆U_нас =0,3...0,7 В).

Основные показатели уси­лительного каскада ОЭ обычно рассчитывают с помощью h-naраметров транзистора, исполь­зуя эквивалентную схему каскада ОЭ (рисунок 4), основой которой является схема замещения транзистора (обведена штриховой линией). В упрощенной схеме замещения транзистор формально представляется активным линей­ным четырехполюсником, на входе которого действуют напряжение U_вх и ток I_вх, а на выходе – напряжение U_вых и ток I_н.

Указанные величины представлены действующими значениями, связанными с известными амплитудными формулами: ,

В схеме резистор h₁₁ отражает входное сопротивление, эквивалентный гене­ратор тока h₁₁I_б – усилительные свойства, а сопротивление 1/ h₂₂ – величину, обратную выходной проводимости транзистора. Отметим, что в эквива­лентной схеме не показаны конденсаторы и источник питания, так как их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому резисторы R_ки R_н включены непосредственно между эмиттером и коллектором. Сопротивление R_б = R₁ R₂ показывает наличие базового делителя, резисторы R₁, R₂ которого по переменному току соединены параллельно. Формулы для расче­та сопротивлений R₁ и R₂ нетрудно получить из схемы рисунка 4.

(3)

; .

(4)

Входное сопротивление каскада при R_б >>h₁₁:

R_вх = U_вх/I_вх = R_бh₁₁/(R_б + h₁₁)» h₁₁.

Выходное сопротивление с учетом неравенства R_к << 1/ h₂₂

(5)

.

Коэффициент усиления по напряжению:

(6)

.

(7)

Коэффициент усиления по току:

K_I = I_н/I_вх» I_к/I_б » h_21.

Ход работы:

2.1 Запустил программу Electronics Workbench 5.12.

2.2 С помощью программы открыл схему электрического принципиальную резистивного усилителя, собранного на транзисторе по схеме с ОЭ n-p-n типа. Назначение элементов и принцип работы усилителя изложены в теоретических сведениях.

Для этого необходимо нажать File -> Open-> диск: М -> Радиотехническое отделение -> Основы электроники и микроэлектроники -> Лабораторная работа №5 и в левой части появившегося окна выбрать файл под названием «Усилитель.ewb».

мулитиметр

1 2

Осциллограф

Рисунок 5 – Принципиальная схему усилителя

2.3 К выходам «Генератора» (точки 1 и 2) необходимо подключить канал А осциллографа (выходы 1 и 4). Второй канал осциллографа(выходы 2 и 3) подключить к выходу усилителя (точки 9 и 10).

Для того, чтобы соединить элементы необходимо подвести указатель мыши к одному из выводов и когда он примет форму жирной точки нажать на левую клавишу мыши и с зажатой клавишей соединить линию с соответствующей точкой схемы.

2.4 Задать амплитуду колебаний генератора в соответствии с таблицей 1.

Для этого: двойным щелчком левой клавиши мыши нажать по изображению генератора и в соответствующем окне установить требуемую амплитуду колебаний.

Таблица 1

№ вар.
Uг,(мВ)	9,4

2.5 Включил схему(запустить программу) с помощью кнопки на верхней панели и через 2-3 секунды нажать кнопку .

2.6 С помощью осциллографа убедиться в том, что сигнал на выходе усилителя является синусоидальным и противофазным входному.

Противофазность двух колебаний означает, что в один и тот же момент времени наблюдается максимум одного колебания и минимум другого.

Для этого необходимо открыть осциллограф двойным нажатием левой клавиши мыши на него. В появившемся окне, при необходимости, нажать «Expand» для получения расширенного вида.

Рисунок 6 – экран осциллографа

В нижней части окна осциллографа необходимо изменить масштаб так, чтобы чётко были видны колебания. С помощью полосы прокрутки можно более подробно рассмотреть колебание.

Масштаб: Time base – 0.05 ms/div, Y/T;

Trigger – Auto;

Channel A – 50 mV/Div; Y position – 2,4; AC;

Channel B – 2 V/Div; Y position – 0; AC

С помощью кнопки “Reduce” (в правом нижнем углу окна осциллографа) можно уменьшить окно осциллографа, вернуть в исходное положение кнопкой «Expand». С помощью кнопки «Reverse» можно изменить цвет экрана осциллографа на чёрный.

2.7Измерить коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Для этого необходимо измерить амплитуду входного гармонического сигнала (канал А – верхняя осциллограмма) и выходного гармонического колебания (канал В – нижняя осциллограмма).

Для измерения амплитуды необходимо воспользоваться флажками 1(красный цвет) и 2(синий(желтый) цвет), размещёнными в верхней части осциллографа. Флажки подводятся к максимальным значениям входного и выходного сигналов(например: красный - к максимуму входного, а синий(желтый) - к максимуму выходного) и в окнах VA1(напряжение канала А для первого флажка) и VA2(напряжение канала В для второго флажка), расположенных под экраном осциллографа, отображается значение амплитуд сигналов.

Тогда коэффициент усиления по напряжению определяется из выражения:

Ku= .

2.8 Измерить период гармонических колебаний.

Для этого необходимо подвести флажки 1 и 2 к соседним максимумам входного или выходного гармонического сигналов и в окне Т2 – Т1 определить результат. Сравнить результат с масштабом развёртки осциллографа по времени (окно «Time base») и с частотой колебаний генератора (f=1/T).

2.9 Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

Ku	T	f
11.4	100.000	0.001

Ku= VB2 \ VA1

F = 1 \ T

2.10Исследовал работу усилителя в статическом режиме. Измерил потенциалы всех узловых точек усилителя, а именно (см. рисунок 5): точки 1 и 4(U_вх), 3 и 4(U_б), 6 и 4(U_к), 5 и 4(U_э), 7 и 4(Е_к), 9 и 4(U_вых), а также напряжения между точками: U_бэ(3-5), U_кэ(6-5), U_Rк (7-6). U_бк(3-6).

Для этого отключить генератор, установив напряжение на выходе генератора равное 0, убедиться в отсутствии входного и выходного сигналов на осциллографе, переключив кнопку запуска программы.

Для того, чтобы установить напряжение генератора, равное 0, необходимо двойным нажатием левой клавиши мыши на генератор открыть окно редактирования параметров и в соответствующей графе установить необходимое значение напряжения.

Следует заметить, что потенциал – это напряжение меду точной электрической цепи и точкой, потенциал которой условно принимают за нулевой( - схемная земля), а напряжение – это разность потенциалов(см. рисунок 2 кратких теоретических сведений).

Для измерения потенциалов и напряжений необходимо воспользоваться мультиметром, изображенным на рисунке 5 методических указаний и на схеме «Усилитель.ewb» программы «Electrinics Workbwench».

Двойным нажатием левой клавиши мыши нажать на изображение мультиметра и при необходимости перевести его в режим измерения постоянного напряжения.

Рисунок 7 – мультиметр

Подключить с соблюдением полярности мультиметр к соответствующим точкам усилителя. Далее запустить программу переключателем и через 2-3 секунды нажать .

Результаты измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3

Uбп	Uкп	Uэп	Екп	Uвых	Uвх	Uбэп	Uкэп	URКп	Uбкп
0.4405	14.54	0.0779				0.3626	14.46	0.4627	-14.1

Убедиться:

а) что напряжение – это разность потенциалов:

Uбэ = Uб – Uэ =0.4405-0.0779=0.3626

Uкэ = Uк – Uэ =14.54-0.0779=14.46

Uбк = Uб – Uк =0.4405-14.54=-14.1

б) что напряжение

Ек = U_RКп + Uкэп + Uэп =0.4627+14.46+0.3626=15.29

2.11 Измерить постоянные токи покоя базы Iбп, эмиттера Iэп, коллектора Iкп, делителя Iд в статическом режиме(см. рисунок 2 кратких теоретических сведений).

2.12Результаты измерений занести в таблицу 4.

Таблица 4

Iб0	Iк0	Iэ0	Iд
0.672	0.984	1.65	1.46

Убедиться, что ток Iэп = Iкп + Iбп, т.е Iэп = Iкп + Iбп =0.984+0.672=1.65

2.13 Исследовать работу усилителя в динамическом режиме.

Установить амплитуду напряжения генератора в соответствии с таблицей 1. Вывод 1 осциллографа поочередно подключить к выходу генератора, базе и коллектору транзистора и при необходимости изменять масштаб. Убедиться, что напряжение на базе совпадает с входным напряжением, а напряжение на коллекторе транзистора совпадает с выходным напряжением усилителя. Для наблюдения коллекторного напряжения необходимо установить масштаб: Channel A – 2V/Div, Y position – 1,40.

Зарисовать осциллограммы напряжений в этих точках, с учетом статического режима работы усилителя, одна под другой(учесть потенциалы точек Uвх, Uбп, Uкп).

После измерения выход 1 осциллографа соединить с входом генератора, масштаб вернуть в исходное положение: 50мV/Div, Y possition – 2.40.

Рисунок 10 – осциллограммы напряжений Uвх(черный) и Uб(красный)

Рисунок 11 – осциллограммы напряжений Uвых(черный) и Uк(красный)

2.14 Исследовать влияние нагрузки на работу усилителя.

Для этого необходимо обеспечить режим холостого хода (Rн =∞), короткого замыкания (Rн ≈0 Ом), установить Rн = 500 Ом, 15кОм, 100кОм. При каждом значении Rн измерять амплитуды выходного напряжения. При необходимости изменять масштаб осциллографа V/Div. Результат измерений занести в таблицу5.

Таблица 5

Rн	0,1 Ом	500 Ом	15 кОм	100кОм	∞
Umвых	0.0405 мВ	98.13 мВ	185.09 мВ	189.16 мВ	190.05 мВ

2.15 Сделать вывод по полученным данным.

3 Отчет должен содержать:

3.1 Тему и цель работы.

3.2 Перечень используемого оборудования.

3.3 Ход работы.

3.4 Таблицы с результатами экспериментов и рисунки.

3.5 Осциллограммы напряжений.

3.6 Выводы.

3.7 Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

4.1 Назначение усилителя напряжения?

4.2 Какие параметры усилителей вы знаете?

4.3 Какие режимы работы усилительных каскадов вы знаете и когда они применяются?

4.4 Определите назначение каждого элемента в исследуемой схеме?

4.5 Для чего применяются отрицательные обратные связи в усилителях напряжения?