Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

Режим работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки на переходной характеристике транзисторов, являющихся управляемым элементом усилительного каскада, существует три режима работы каскада: А, В и С.

Переходной характеристикой транзистора является функция IK=f (Iб)- зависимость тока коллектора от тока базы, рис. 3. Линейный участок на этой характеристике (участок ab) характеризуется минимальными искажениями усиливаемого сигнала. При выборе рабочей точки n в начале линейного участка (точка b) усиливается только положительная составляющая усиливаемого сигнала.

Рис.3 Переходная характеристика транзистор

Точка n на этой характеристике определяет величину тока коллектора

IК и тока базы Iб в отсутствие входного сигнала (состояние покоя).

Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку n выбирают на линейном участке переходной характеристики транзистора, обычно посередине (как на рис.3). При этом значение входного напряжения должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т.е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически полностью повторять форму входного.

 К.п.д. усилителя η определяется отношением выходной мощности Рвых к мощности, потребляемой усилителем от источника питания Рвх:

η = Рвых/Рвх .

В режиме А к.п.д. самый низкий (меньше 0,5) и редко превышает 0,35. Это объясняется большим током покоя в отсутствие входного сигнала (постоянная составляющая потерь). Это основной недостаток режима А. Достоинство же – отсутствие искажений усиливаемого сигнала.

 Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики – точка b на рис.3. Эта точка называется точкой отсечки.

 В режиме В усиливается только та часть сигнала, которая способствует отпиранию транзистора и появлению коллекторного тока. Другая часть сигнала, условно назовем ее отрицательной, способствует еще большему запиранию транзистора, т.е. коллекторный ток будет близок к нулю. В случае синусоидального сигнала усиленный сигнал будет иметь форму полусинусоиды, что характеризует очень большое искажение усиливаемого сигнала. Достоинством этого режима является высокий к.п.д., достигающий в некоторых случаях 80%. Этот режим используется, как правило, в двухтактных усилителях мощности.

 Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку выбирают за точкой отсечки, при этом время отпирания транзистора меньше величины полупериода.

  Этот режим характеризуется наибольшими искажениями усиливаемого сигнала, зато к.п.д. усилительного каскада приближается к 100%. Режим С используется в автогенераторах и избирательных усилителях.

 Для оценки диапазона входных напряжений, в котором усиливаемые сигналы усиливаются пропорционально, используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения Uвых от амплитудного значения входного напряжения Uвх (рис.4). Линейный участок этой характеристики, характеризуется постоянным коэффициентом усиления  по напряжению Кn = Uвых/Uвх

Как правило, этот участок характеризуется наименьшим уровнем нелинейных искажений.

Рис.4 Амплитудная характеристика усилительного каскада

При очень больших амплитудных значениях усиливаемого сигнала Uвх рост выходного напряжения замедляется, и коэффициент усиления падает, что сопровождается ростом нелинейных искажений. Соответственно различают зоны: нечувствительности, линейности и насыщения. В зоне нечувствительности, при малых входных сигналах коэффициент усиления мал и неустойчив.

 Другой важной характеристикой является амплитудно-частотная. Это зависимость коэффициента усиления К от частоты ω. Зависимость КU=f(ω) представленная на рис.5, характеризует области нижней ωн.гр и верхней ωв.гр граничных частот, а также область с относительно устойчивым коэффициентом усиления КU. Снижение коэффициента усиления КU в области верхней ωв.гр и нижней ωн.гр граничных частот называют частотными искажениями.

 


Рис.5 Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада

Это название обусловлено тем, что при усилении переменного сигнала отдельные составляющие его усиливаются по-разному из-за неравномерности частотной характеристики, вследствие чего форма кривой усиленного сигнала искажается.

Диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя достаточно равномерна и коэффициенты частотных искажений не превышают допустимых значений, называют полосой пропускания усилителя.

Полоса пропускания усилителя – это область между нижней и верхней граничными частотами ωн.гр.- ωв.гр.

Из практических соображений допустимое значение частотных искажений принимают равным 1/ КU (~0,7 КU), в связи с этим ωн.гр. и ωв.гр. сдвинуты за пределы линейного участка амплитудно - частотной характеристики.

План работы:

1. Ознакомиться со схемой полупроводникового двухкаскадного усилителя.

2. Определить вход усилителя и выходы с первого и второго каскадов.

3. Ознакомиться с устройством генератора синусоидальных сигналов.

Нажатие соответствующих кнопок генератора означает частоты:

100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц (Полностью отжатые кнопки соответствуют частоте 15000 Гц).

4. Снять амплитудную характеристику усилителя:

– установить частоту генератора 1000 Гц;

– включить стенд (тумблером Сеть);

– подать напряжение от генератора на вход усилителя равное, 0,05 В;

– переключить вольтметр на выход и записать в таблицу выходное (усиленное) напряжение;

– последовательно увеличивая величину входного напряжения Uвх через 0,05В до 0,4 В измерять напряжение Uвых на выходе 1-го каскада при каждом опыте;

– одновременно при помощи осциллографа, подключенного к выходу первого каскада, проследить форму усиленных сигналов, отметив при каком входном напряжении начинает искажаться форма выходного сигнала.

Данные измерений занести в таблицу 1. 

Таблица 1.

Uвх, B

0,05

0,1

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

Uвых, B

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя при входном напряжении Uвх = 0,2 В (при таком сигнале линейные искажения еще не заметны):

– изменяя частоту генератора, замерить выходное напряжение на всех частотах генератора при неизменном входном напряжении;

– при помощи осциллографа проследить форму выходных сигналов, отметив область частот, где наблюдаются искажения формы синусоидальных сигналов.

Данные свести в таблицу 2.

В эту же таблицу записать значения коэффициента усиления КU на разных частотах, вычислив их по формуле К = Uвых/Uвх:

Таблица 2.

f, Гц

100

500

1000

5000

15000

Uвх, B

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

Uвых, B

 

 

 

 

 

  KU

 

 

 

 

 

4. На основании данных табл. 1 и 2 построить амплитудную и амплитудно- частотную характеристики.

Контрольные вопросы:

1. Определение и классификация усилителей?

2. Начертить и объяснить блок-схему усилительного каскада?

3. Режимы А, В, и С, их достоинства и недостатки. В каких случаях они применяются?

4. Что такое коэффициент усиления, как определить коэффициент усиления многокаскадного усилителя? Что такое многокаскадные усилители?

5. Объяснить схему и работу двухкаскадного усилителя.

5. Что такое нелинейные искажения?

6. Начертить и объяснить амплитудную характеристику.

7. Начертить и объяснить амплитудно-частотную характеристику.

Проверить исправность предложенного преподавателем конденсатора. Для этого подключить его к клеммам (рис. 2.11 в) лабораторной приставки. На экране осциллографа при этом получается эллипс или круг. По соотношению между горизонтальной и вертикальной осями эллипса и с помощью графика, изображенного на рис. 2.13 определить величину емкости конденсатора.

Проверить работоспособность тринистора и определить его основные параметры. Для этого подключить его к лабораторной приставке согласно рис. 2.11 г. Установить движок переменного резистора «УЭ» в положение, соответствующее максимальному сопротивлению, т. е. повернуть до конца по часовой стрелке. Уменьшать сопротивление резистора (при этом увеличивается ток через управляющий электрод), пока тринистор не включится. Убедившись в его исправности, зарисовать с экрана осциллографа полученное изображение ВАХ и определить (рис. 2.5) напряжения Uвкл и Uуд.

Получить экспериментально ВАХ диода. Для этого подключить диод (рис. 2.14 а) к клеммам приставки. На экране осциллографа при этом получится ВАХ диода. Для оцифровки оси Х ВАХ использовать численные значения лимбов отсчета в канале Y (усилитель Y), а для оцифровки оси Y (ось токов ВАХ) учесть, что чувствительность по каналу Y определяется делением полученных величин напряжения на 3300 Ом.

Снять осциллограмму ВАХ стабилитрона, подключив его к приставке согласно рис. 2.14 б. По полученной ВАХ определить: номинальное значение напряжения стабилизации Ucт ном.


Проверить работоспособность биполярного транзистора. Для этого подключить его к лабораторной приставке согласно рис. 2.14 в. Зарисовать полученное изображение (при исправном транзисторе на экране осциллографа наблюдается прямая или слегка изогнутая линия). Поочередно соединять базу с коллектором, а затем с эмиттером и зарисовать с экрана осциллографа полученные изображения. Объяснить полученные результаты и оценить исправность и работоспособность транзистора.

Контрольные вопросы

Какой вид имеет ВАХ р-n-перехода? Какие участки можно на ней выделить?

Какой вид имеет ВАХ стабилитрона?

Перечислите основные параметры стабилитрона.

Какой вид имеет ВАХ тиристора? Какие участки на ней выделяются?

Перечислите основные параметры биполярного транзистора.

По своему физическому смыслу у – параметры являются проводимостями, измеренными при коротком замыкании в соответствующих цепях, причем короткое замыкание, как на входе, так и на выходе осуществляется только по переменному току. Например:

у11 – входная проводимость при коротком замыкании на выходе (U2=0),

у22 – выходная проводимость при коротком замыкании на входе (U1=0). Параметр у21 по историческим причинам нередко называют крутизной и обозначают буквой S.

Нумерация индексов для у – параметров (как и для других малосигнальных параметров) появилась из матричной записи соответствующих уравнений. Она является сочетанием номеров строк и столбцов матрицы, поэтому правильным наименованием параметра у11 будет «игрек один-один», а не «игрек одиннадцать», а параметра у21 – «игрек два-один», а не «игрек двадцать один».

Если за независимую переменную на входе принять ток I1, и за независимую переменную на выходе – напряжение U2, то связи между токами и напряжениями в транзисторе записываются в виде

Проделав математические преобразования, подобные тем, которые были проделаны для выражений, связанных с у – параметрами, получим соотношения между приращениями токов и напряжений

и соотношения между переменными токами и напряжениями

где

В отличие от у – параметров физический смысл h – параметров неодинаков для различных параметров:

h11 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе (U2=0);

h12 – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе (I1=0);

h21 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе (U2=0);

h22 – выходная проводимость при холостом ходе на входе (I1=0).

При этом, как и в случае у – параметров, условия холостого хода или короткого замыкания должны выполняться по переменному (и только по переменному) току.

Условия холостого хода или короткого замыкания являются принципиально важными для малосигнальных параметров, так как именно эти условия определяют связь между величинами в числителе и знаменателе соответствующих формул. Физический смысл величин у22 и h22 в первом приближении одинаков – и тот, и другой параметр является выходной проводимостью. Но у22 измеряется при коротком замыкании на входе, а h22 – при холостом ходе, и вследствие этого численные значения у22 и h22 оказываются неодинаковыми. А запись формул без учета рассматриваемых условий (например, такая, как  или ) вообще не имеет смысла, так как из подобных формул неясно, как связаны между собой величины ∆I2 и ∆U2 (или J2 и U2) и вследствие этого величине h22 можно придать любое произвольное значение.

Все малосигнальные параметры зависят от схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ или ОК), рабочей точки, температуры и частоты. Зависимость от схемы включения определяется тем, что для различных схем включения величины I1, U1, I2, U2 оказываются неодинаковыми. Например, величина I1 для схемы с ОБ – это IЭ, а для схемы с ОЭ – IБ. Соответственно и величина h21 для схемы с ОБ h21Б=α (т.е. 0,95…0,995), а для схемы с ОЭ h21Э=β (т.е. 20…200). Между одноименными параметрами для различных схем включения существуют однозначные соотношения, позволяющие пересчитывать малосигнальные параметры для различных схем включения. Такие соотношения имеют довольно сложный вид и приводятся в справочниках, в некоторых учебниках и в технической литературе.

Зависимость параметров от рабочей точки, т.е. от режима работы транзистора по постоянному току, вызвана нелинейностью характеристик транзистора. Эта зависимость хорошо заметна на примере параметра

.

 Если обратиться к выходным характеристикам транзистора для схемы с ОЭ, которые сняты при постоянном токе базы (рис. …), то можно легко увидеть, что при одном и том же ∆IК величина ∆UКЭ на отлогом и крутом участках характеристики отличается во много раз. Следовательно, во столько же раз отличается и величина h22Э.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике