Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе. Подготовка к занятию

Цель работы

Изучение принципа работы и характеристик однокаскад­ного усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Объект исследования

На съемной панели, изображенной на рис. 2.1, располо­жены следующие элементы, относящиеся к данной работе: биполярный транзистор Т1; коллекторный резистор Rк,: переменный резистор R Б, предназначенный для установки ре­жима транзистора по постоянному току; переменный резис­тор R, имитирующий внутреннее сопротивление источника усиливаемого сигнала: переменный резистор R Н, имитирую­щий сопротивление нагрузки, а также конденсаторы связи Сс 1 И Сс 2 .

Измерения постоянных токов базы и коллектора прово­дятся цифровыми приборами

Щ 4300. В верхней части пане­ли расположен вывод источника коллекторного питания (12В). Для измерения постоянных напряжений на электро­дах транзистора и переменных напряжений в схеме усилите­ля.используются мультиметры. В качестве источника усили­ваемого сигнала используется генератор переменного на­пряжения ГЗ-36А.

Подготовка к занятию

1. Изучите основные характеристики транзистора и на­чертите его схему замещения в

h -параметрах (§ 2.3 ).

2. Изучите усилительный каскад с общим эмиттером (§ 3.2 ). Начертите принципиальную схему усилителя и его схе­му замещения в h --параметрах. Запишите формулы для рас­чета:

Входного сопротивления усилителя Rвх1;

Выходного сопротивления усилителя Rвых;

Коэффициента усиления по напряжению в режиме хо­лостого хода Ких и при нагрузке.

1. Соберите усилитель с ОЭ на биполярном транзисторе Т1 с приборами для измерения токов базы и коллектора. С помощью переменного резистора Rб, установите точку по­коя и зафиксируйте в протоколе ее параметры (1бп, 1кп, Uбn, Uкn), а также значение ЭДС источника питания Ек.

2. Измените сопротивление резистора базы Rб так, чтобы значение Uкn изменилось на ±10% и зафиксируйте в прото­коле параметры новой рабочей точки (I" бп, I" кп, U" бn, U"кn).

3. По данным п.п 1 и 2 рас­считайте h - параметры транзистора.

4. По данным п.п 1 и 3 рассчитайте коэффициент усиле­ния усилителя по напряжению в режиме холостого хода Кил.

5. Снимите и постройте амплитудную характеристику уси­лителя при частоте f=l кГц в режиме холостого хода. За­фиксируйте максимальное входное напряжение, при котором на выходе отсутствуют нелинейные искажения. Определите коэффициент усиления Ких и сопоставьте его значение с рас­четным.

Зарисуйте осциллограммы выходного напряжения при Uвх=l0 мВ и Uвх =500 мВ.

6. Определите полосу пропускания усилителя при Uвх =10 мВ и Rвх= 1 кОм.

7. * Измерьте входное и выходное сопротивления усили­теля Rвх и Rвых.

8. * По данным п.п 1 и 3 рассчитайте входное и выходное сопротивления Rвх и Rвых и сравните их с результатами экс­перимента.

Методические указания

1. Режим покоя устанавливают регулировкой сопротивле­ния резистора Rб так, чтобы напряжение на коллекторе было приблизительно равно половине ЭДС источника коллекторно­го питания.

2. При определении полосы пропускания, напряжение на генераторе ГЗ-36А поддерживают неизменным по величине U=l0 мВ.

Вначале измеряется выходное напряжение усилителя U"вых 0 при частоте f 0 =1 кГц. После этого плавно уменьшает­ся (для определения нижней границы полосы пропускания fн) или плавно увеличивается (для определения верхней границы полосы пропускания fв) частота входного сигнала до тех пор, пока выходное напряжение не уменьшится до величины равной 0,707 U"вых 0 .

3. При измерениях входного Rвх и выходного Rвых сопро­тивлений усилителя, напряжение на выходе генератора ГЗ-36А поддерживают неизменным и равным 10 мВ при час­тоте 1 кГц.

Измерение входного сопротивления:

а) последовательно с генератором ГЗ-36А включить пере­менный резистор R , имитирующий внутреннее сопротивление источника усиливаемого сигнала:

б) поставить движок переменного резистора в положение R"=0 и измерить напряжение на выходе усилителя U"вых,

в) плавно увеличивая сопротивление резистора, добиться уменьшения напряжения на выходе усилителя в два раза- U""вых =U"вых /2 и зафиксировать полученное значение сопро­тивления R".

Входное сопротивление усилителя равно полученному зна­чению rвх =r", так как только в этом случае при неизмен­ных значениях коэффициента усиления Ки и напряжения на выходе генератора ГЗ-36А входное, а, следовательно, и вы­ходные напряжения усилителя могут уменьшиться в два. Измерение выходного сопротивления:

а) измерить напряжение на выходе усилителя в режиме холостого хода Uвых ,х.;

б) подключить резистор нагрузки и, плавно изменяя его сопротивление, добиться уменьшения выходного напряжения в два раза Uвых = Uвых ,х. В этом положении сопротивление нагрузки будет равно выходному сопротивлению усилителя.

Лабораторно-практическое занятие №3

ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Цель работы

Изучение свойств усилителей напряжения, интегратора, триггера Шмитта и мультивибратора на основе операционно­го усилителя (ОУ).

Объект исследования

На схемной панели (рис. 3.1) расположены: операционный усилитель типа К553УД2 и цепи обратной связи, позволяю­щие создать на его основе инвертирующий усилитель, изби­рательный усилитель, интегратор, триггер Шмитта и мульти­вибратор.

Параметры ОУ : коэффициент усиления Ки≥20*10 3 вход­ное сопротивление rвх ≥ ЗОО кОм; напряжение смещения Uсм ≤7,5 мВ: входные токи Iвх ≤1,5 нА; максимальное вы­ходное напряжение Uвых,max = 10 В; напряжение источника питания Uип =15 В: сопротивление нагрузки Rн ≥ 2 кОм; час­тота единичного усиления f 1 ≤1мГц.

Для измерения напряжений на входе и выходе усилите­лей используются цифровые измерительные приборы. Изме­рение сигналов на выходе интегратора, триггера Шмитта и мультивибратора осуществляется осциллографом.

Подготовка к занятию

1. Изучите принцип действия инвертирующего усилителя, интегратора, избирательного RС-усилителя с интегродифференцирующей обратной связью, триггера Шмитта и мульти­вибратора §§ 3.11, 4.5 , § 8.7 .

2. Начертите схему инвертирующего усилителя, рассчи­тайте его коэффициент усиления Кu (исходные данные для расчета приведены в табл. 3.1).

3. Начертите схему интегратора и приведите примерный вид осциллограммы выходного напряжения, если на вход по­даются прямоугольные, знакопеременные, симметричные им­пульсы. Рассчитайте (см. табл. 3.1) Uвых,max , если Uвх,max =ЗВ.

4. Начертите схему избирательного RC- усилителя с интегродифференцирующей обратной связью. Приведите примерный вид АЧХ усилителя и рассчитайте его квазирезонансную частоту f 0 .

5. Начертите схему триггера Шмитта и его передаточную характеристику. Рассчитайте значения Uвкл и Uвыкл . Для зве­на ПОС используйте значения сопротивлений резисторов ин­вертирующего усилителя (табл. 3.1), максимальное значение напряжения на выходе операционного усилителя Uвых,max =10 В.

6. Начертите схему и рассчитайте частоту сигналов на выходе симметричного мультивибратора. Для звена ПОС ис­пользуйте значения сопротивлений резисторов инвертирую­щего усилителя (табл. 3.1), для звена ООС-значения со­противления резистора и емкости конденсатора, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

	Инвертирующий усилитель	Избирательный усилитель	Интегратор	Мультивибратор
№ брига- ды	Rос кОм	R 1 кОм	R 1 кОМ	R 2 кОм	C 1 =С 2 нФ	Rос мкФ	R 1 кОм	f Гц	R 2 кОм	C нФ
1.			1.0			0.033
2.			2.0			0.025
3.		5.1	1.5			0.033
4.		3.9	1.0			0.015
5.		8.2	1.1		6.8	0.022
6.		7.5	1.3			0.025
7.			1.0			0.015
8.			1.5		6.8	0.033
9.			7.5			0.025
10.		6.2	8.2			0.015

1. Исследуйте инвертирующий усилитель:

а) при частоте f=l кГц снимите и постройте аплитудную характеристику усилителя в режиме холостого хода;

б) по результатам эксперимента определите Kuoc и срав­ните его с расчетным значением.

2. Исследуйте избирательный RC- усилитель:

а) определите частоту квазирезонанса fo и сравните ее с расчетной;

б) определите нижнюю fн и верхнюю {в частоты полосы пропускания и сравните их с экспериментальными значениями, занесите ре­зультаты в протокол и постройте соот­ветствующую характеристику.

3. Исследуйте интегратор:

а) от генератора ГЗ-36А подавайте на вход интегратора прямоугольные знакопеременные симметричные импульсы Uвх=3 В с частотой повторения, заданной в табл. 3.1;

б) измерьте Uвых,max с помощью осциллографа;

в) зарисуйте осциллограммы входного и выходного на­пряжений;

r) сравните полученные результаты с предполагаемыми.

4.* Исследуйте триггер Шмитта:

а) снимите и постройте передаточную характеристику;

б) сравните значения Uвкл и Uвыкл с расчетными.

5. Исследуйте мультивибратор:

а) зарисуйте осциллограмму и измерьте с помощью ос­циллографа максимальное значение выходного напряжения, а также его частоту;

б) сравните измеренную частоту с расчетной.

Методические указания

1. Для определения частоты квазирезонанса fo избира­тельного усилителя, необходимо изменять частоту генератора синусоидальных колебаний до тех пор, пока выходное напря­жение усилителя не станет максимальным. Значение входно­го сигнала должно быть неизменным и равным ≈200 мВ. Для определения нижней fн и верхней fв частот полосы про­пускания необходимо плавно изменять частоту генератора ниже и выше частоты fo до тех пор, пока выходное напря­жение не станет равным 0,707 Uвых,max . измеренным на час­тоте fo.

2. При исследовании интегратора на его вход подается на­пряжение прямоугольной формы с выхода генератора низко­частотных сигналов ГЗ-36А.

3. При сборке схем триггера Шмитта и мультивибратора звено положительной обратной связи составьте из резисторов, использованных Вами в схеме инвертирующего усилителя. 4. При исследовании схемы мультивибратора в качестве звена отрицательной обратной связи используйте сборку, сос­тоящую из конденсатора С 1 и резистора R ОС.

Усилительные каскады могут быть построены по трем схемам включения транзистора ОЭ, ОК и ОБ. Наиболее распространенная схема усилительного каскада ОЭ на транзисторе п-р-п типаприведена на рис.6, а.

Переменное напряжение U вх , задаваемое источником входного сигнала с действующим значением ЭДС Е и и внутренним сопротивлением R и, подводится к входу усилителя через разделительный конденсатор С р1 .Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора, поступает в нагрузку R н через разделительный конденсатор С р2 . Конденсатор С р1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы транзистора. Конденсатор С р2 разделяет выходную коллекторную цепь от внешней нагрузки R н по постоянной составляющей коллекторного тока I ок . В области рабочих частот (для усиливаемого сигнала), сопротивления разделительных конденсаторов С р1 и С р2 очень малы и ими пренебрегают.

Режим по постоянному току устанавливается с помощью резисторов R 1 и R 2 . По известным значениям Е к и R K на семействе статических характеристик транзистора строят нагрузочную прямую. Рабочую точку на нагрузочной прямой задают начальным током базы I об , которая определяется напряжением смещения между базой и эмиттером, которое подается от общего источника питания Е к с делителя R 1 R 2 ,

Для улучшения температурной стабильности усилителя используют отрицательную обратную связь по постоянному току через резистор R э . Увеличение тока I б с повышением температуры приводит к увеличению тока I э и падения напряжения на резисторе R э . При этом напряжение на эмиттере становится более положительным относительно напряжения базы и эмиттерный переход смещается в обратном направлении. Это вызывает уменьшение базового тока I б , в результате чего ток возвращается к своему первоначальному значению. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току (для усиливаемого входного переменного сигнала) резистор R э шунтируют конденсатором С э, сопротивление которого на частоте сигнала должно быть незначительным.

Усилительный каскад ОЭ наряду с усилением входного синусоидального сигнала поворачивает его фазу на 180°С, т. е. входное и выходное напряжения усилителя противофазы.

	|	следующая лекция ==>

Читайте также: B)Следующие слова употребляются по такому же принципу:hospital university school church F) содействовать разработке руководящих принципов или руководств, касающихся насилия в отношении женщин, принимая во внимание меры, упомянутые в настоящей Декларации; I. Государственный стандарт общего образования и его назначение I. Первый (и главным) принцип оказания первой помощи при ранениях является остановка кровотечения любым доступным на данный момент способом. I. Функции государства - это основные направления его деятельности, в которых выражаются сущность и социальное назначение государства в обществе. II. Основные принципы и правила служебного поведения государственных гражданских служащих Федеральной налоговой службы II. Получение вращающегося магнитного поля и принцип действия АД. II. Принципы разработки учебно-методического комплекса дисциплины (УМКД)

В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

В режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала (U вх = 0), постоянный ток I БО под действием Е К проходит по цепи + Е К – Э- Б- R Б - -Е К. Величина этого тока подбором значений R Б задается такой, чтобы транзистор был полуоткрыт, т.е. напряжение на нем составляло бы примерно половину E К. В свою очередь, при большом токе базы транзистор полностью открывается, т.е. его сопротивление между эмиттером и коллектором очень мало, напряжение U ЭК почти нулевое, а при I Б = 0 транзистор полностью закрыт, т.е. сопротивление велико и он практически не пропускает ток I К.

Конденсатор С р1 служит для включения источника переменной входной ЭДС Е вх, с внутренним сопротивлением R вх в цепь базы. Конденсатор связи С р2 служит для выделения на нагрузке R н переменной составляющей коллекторного напряжения.

18. Определение начальных условий, обеспечивающих заданный режим работы усилителя с ОЭ

Рассмотрим RC-усилитель в котором транзистор вклю­чен до схеме с общим эмиттером и используется эмиттерная стабилизация начального, режима работы.

Токи в цепи находят по формулам:

Предположим, что i Б = i Б2 , тогда:

Предположим, что напряжение питания Ек задано и требуется обеспечить начальный режим работы при задан­ном начальном токе I К Н.

Учитывая, что i Э » i K:

Выбирается ток i дел делителя напряжения на резисторах R 1 и R 2 , протекающий при отключении базы транзистора от делителя.

Важным параметром является коэффициент усиления усилителя по напряжению, который находят по формуле:

19. Операционные усилители (ОУ): области применения, условное графическое изображение, структурная схема. Назначение элементов структурной схемы

Типичная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис.11.5. Входное усиливаемое переменное напряжение UВХ подводится ко входу транзистора через разделительный конденсатор СР1. Конденсатор СР1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы по постоянному току транзистора VT. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора VT, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением RН через разделительный конденсатор СР2. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока IК0. Значения IК0 и других постоянных составляющих тока и напряжений в цепях транзистора зависят от начального режима работы (начального положения рабочей точки), задаваемого при отсутствии сигнала.

Рис.11.5. Усилитель на биполярном транзисторе с ОЭ

Рабочей точкой транзистора называют точку пересечения динамической характеристик (нагрузочной прямой) с одной из статических вольт-амперных характеристик. Это положение определяется на характеристиках совокупностью постоянных составляющих токов и напряжений в выходной IК0, UКЭ0 и входной IБ0, UБЭ0 цепях.

Работа усилительного каскада поясняется рис.11.6.

Рис.11.6. Графическая иллюстрация работы усилительного каскада на транзисторе с ОЭ

Процесс усиления сигнала можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин:

UВХm→IБm→IКm→IКmRК→(UКЭm= ЕПИТ - IКmRК) = UВЫХm.

Рисунок показывает, что напряжение входного сигнала с амплитудой UВХm =UБЭmсинфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Напряжения сигнала на входе и выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180º, т.е. находятся в противофазе. При работе транзистора в активном (усилительном) режиме рабочая точка должна находиться примерно посредине отрезка АВ нагрузочной прямой. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка АВ. На рис.11.7 показаны временные диаграммы работы транзисторного каскада при правильном выборе точки покоя и величины входного сигнала. Очень важно обеспечить правильно не только величину входного сигнала, но и ток покоя. При малом начальном токе покоя при минимальном сигнале транзистор не откроется и будет находиться в режиме отсечки, при большом смещении и высоком уровне сигнала он может попасть в насыщение. Рис. 11.8. показывает напряжение на коллекторе транзистора: а - при недостаточном токе смещении; б - при избыточном токе смещения; в - при чрезмерном входном сигнале.

Рис.11.7. Временные диаграммы работы транзисторного усилителя в схеме с ОЭ

Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R1и R2, значения сопротивлений которых определяют из соотношений: R1 = (EK - UБЭ0 - URЭ) / (IД + IБ0); R2 = (UБЭ0 + URЭ) / IД, где IД = (2…5) IБ0 - ток в цепи делителя.

При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки (уменьшить влияние температуры на начальное положение рабочей точки). С этой целью в эмиттерную цепь введен резистор RЭ, на котором создается напряжение ООС по постоянному току URЭ.

Рис.11.8. Временные диаграммы коллекторного напряжения при неправильных режимах

ООС в данной схеме действует следующим образом: при изменении, например, температуры транзистора увеличивается ток коллектора. Это вызывает соответствующее увеличение тока эмиттера и падения напряжения на нем. Следовательно, напряжение UБЭ = UБ - UЭ, которое является управляющим для транзистора, уменьшается, транзистор подзапирается, ток коллектора уменьшается и возвращается в заданный режим. Введение ООС уменьшает коэффициент усиления схемы. Для того, чтобы обратная связь действовала только по постоянному току и для устранения ООС по переменному току резистор RЭ шунтируют конденсатором СЭ, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным. При анализе схемы можно считать, что ООС по переменному току отсутствует. В таком случае коэффициент усиления каскада по току

Практическая работа № 1

Изучение работы однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе в линейном режиме

Цель работы : наблюдение семейства ВАХ биполярного транзистора, работы усилителя в линейном диапазоне (режим малого сигнала), влияние элементов схемы на его характеристики .

Ход работы:

1. Снять входные ВАХ транзистора (рис. 1). Изменяя при этом E к 0/30В.
2. Заполнить таблицу.
3. Снять выходные ВАХ (рис. 2) при изменение Ib 1/30 mA .

Схема 1

Входные характеристики:

Входные ВАХ транзистора при различных Ib

Рис. 1

Выходные характеристики:

Выходные ВАХ транзистора при различных

Рис. 2

Контрольные вопросы:

1. Нарисуйте энергитические диаграммы р-п-р и п-р-п транзисторов.
   1. Нарисуйте основные характеристики транзисторов при включении с общим эмиттером.
   2. Каковы основные преимущества и недостатки транзисторов по сравнению с электронными лампами?
   3. Какие марки транзисторов вы знаете?

Литература:

• Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, , М., 1970;
• «Кремниевые планарные транзисторы», под ред. Я. А. Федотова, М., 1973; 3 и С. М.,

Кучумов А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие для вузов – М.: Гелиос АРВ, 2004. – 335 с.

• Христич В.В. Электроника: Тексты лекций. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. – 203 с.
• Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. – М.: Изд. «Солон–Р», 2001. – 726