Лабораторна робота
"Однокаскадний підсилювач низької частоти"
Полянчев С., Коротков Р.
Мета роботи: Вивчення схеми резистивної-ємнісного підсилювального каскаду на біполярному транзисторі і експериментальне визначення основних характеристик підсилювачів.
Теоретична частина.
1. Основні характеристики підсилювачів
Підсилювач здійснює збільшення енергії керуючого сигналу за рахунок енергії допоміжного джерела. Хоча в будь-якому підсилювачі відбувається посилення потужності сигналу, на практиці виділяють три групи підсилювачів: напруги, струму та потужності. Відповідно до цього діленням розрізняють коефіцієнти підсилення по напрямку, по струму і по потужності.
Коефіцієнт підсилення по напрузі або, ще кажуть, коефіцієнт передачі напруги K u - це відношення вихідної напруги
'Вих = U вих
K u =
де K u =
Аналогічно вводяться коефіцієнти підсилення по струму і по потужності:
K I =
Однією з важливих характеристик підсилювального каскаду є його амплітудна характеристика: залежність амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного сигналу. На рис.1 наведено частотна (а), фазова (б) і амплітудна (в) характеристики ідеального (пунктирна крива) і реального (суцільна лінія) підсилювачів.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
рис.1
На рис. 1а Δω = ω B-ω H називається смугою пропускання підсилювального каскаду.
Підсилювальний каскад є елементом певної радіотехнічної схеми - до входу підсилювача підключається джерело сигналу, а до виходу - навантаження. Для узгодження підсилювача з названими елементами, а також для аналізу роботи каскаду необхідно знати вхідний і вихідний опір підсилювача.
Вхідним опором підсилювача називається опір між його вхідними затискачами при впливі підсилюється сигналу, тобто
Z вх =
2. Завдання режиму роботи транзистора по постійному струму фіксованим струмом бази в схемах із загальним емітером
Схема однокаскадного підсилювача, придатного для практичного застосування, наведена на рис.2.
Рис. 2
Конденсатори з 1 і з 2 служать для поділу по постійному струму підсилювача і джерела сигналу. Опору R б і R к потрібні для створення необхідних постійних напруг між електродами транзистора. При цьому абсолютні значення напружень на тому чи іншому виведення, як правило, не відіграють істотної ролі, важливі лише відносні значення. Тільки після створення необхідних постійних напруг між окремими електродами транзистора або, як кажуть, режиму схеми по постійному струму, можлива нормальна робота підсилювального каскаду.
Для вибору режиму роботи транзистора необхідно знати сімейство його вихідних характеристик, тобто залежність струму колектора I к від напруги емітер-колектор U ек, для різних фіксованих значень струму бази I б. Буде потрібно, також, величина коефіцієнта передачі струму бази для обраного транзистора:
β =
На рис.3 наведено сімейство вихідних вольтамперних характеристик (ВАХ) транзистора і навантажувальна пряма.
рис.3
Точки перетину навантажувальної прямої, рівняння якої задається вибором E і R к, визначають постійні струми і напруги в схемі для фіксованого струму бази. На рис.3 вибрані величини позначені зірочками. Точка B носить назву робочої точки. У околиці цієї точки будуть відбуватися зміни напруг і струмів при подачі на вхід підсилювача змінного сигналу.
Вибір робочої точки диктується отриманням мінімальних нелінійних спотворень і максимального динамічного діапазону посилення вхідного сигналу.
Величина напруги джерела харчування E визначається заданим значенням змінної складової U вих. Так як U вих = U 0вих cosωt, то має бути E> 2 U 0вих. Зверху величина напруги джерела живлення обмежується гранично-допустимим значенням U ке max> E ≥ (2U 0вих +1).
Вибір R к повинен бути зроблений так, щоб робоча ділянка навантажувальної прямої не потрапляв в область неприпустимо великих потужностей розсіяння і область електричного пробою. Після того, як вибір F і R к зроблений, слід за допомогою опору R б зафіксувати струм бази I б *, щоб робочої точкою була точка B, що задовольняє, як видно з рис.3, вимогу мінімальних нелінійних спотворень і максимального динамічного діапазону підсилювача. Точці B відповідає U ке *=
Зазвичай у схемах з ОЕ на малопотужних біполярних транзисторах U бе становить десяті частки вольта при значеннях E одиниць вольта, тому з великою точністю можна вважати
I б =
Так як I к = β I б, то
R б =
Остаточно R б = 2βR до, видно, що R б залежить від параметра транзистора β.
Схема з фіксованим струмом бази потребує мінімум деталей і відрізняється малим споживанням струму від джерела живлення, так як R б - велике.
Однак, через розкиду параметрів транзисторів (β) при зміні транзистора доводиться перераховувати і R б. Іншим істотним недоліком є низька температура стабільності схеми.
Введення в ланцюг емітера невеликого за величиною опору R е, R е. <<R к дозволяє стабілізувати параметри підсилювача (коефіцієнт посилення K u стає практично незалежних від параметрів транзистора, а визначається, в основному, ставленням величин R к і R е, K u =
3. Зворотні зв'язки в підсилювачах
Зв'язок, що забезпечує повернення частини енергії сигналу з виходу підсилювача на його вхід, називається зворотним зв'язком (ОС). Структурна схема підсилювача з ОС має вигляд:
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Тут К - підсилювач з коефіцієнтом підсилення К; ж - ланцюг зворотного зв'язку; U x - напруга зворотного зв'язку; U р - вхідний сигнал; U вх - напруга, що управляє транзистором.
Та частина схеми, яка з U г і U x виробляє U вх, називається підсумовуючим вузлом.
Коефіцієнтом зворотного зв'язку називають відношення:
ж =
Якщо фази вхідного сигналу і напруги зворотного зв'язку збігаються, то така ОС називається позитивною, якщо фази названих напруг протилежні - негативною. У підсилювачах реалізується негативний зворотний зв'язок. Розглянемо вплив зворотного зв'язку на коефіцієнт підсилення підсилювача. За визначенням,
K =
Використовуючи ці визначення, можна записати наступний ланцюжок рівностей
Звідки випливає
U вих (1-ЯЖ) = Кu р
K ОС =
Величину (1 - ЯЖ) називають глибиною зворотного зв'язку.
З останнього рівності випливає, що при негативному зворотному зв'язку до =- ЯЖ і K ОС =
Практична частина
Завдання 1: Дослідити амплітудну характеристику підсилювача U вих = f (U вх).
R к = 1 кОм; R е = 100 Ом; R 1 = 10 кОм; R 2 = 750 Ом; С р = 1 мкФ; f = 1 кГц.
Таблиці для графіка:
Графік 1. Залежність U вих від U вх для підсилювача
Таблиці для графіка:
2) C конденсатором (С Е = 10 мкФ)
Таблиці для графіка:
Графік 2. Залежність Кус від f з конденсатором (зверху) і без конденсатора (знизу)
Завдання 3: Дослідити залежність коефіцієнта посилення від величини опору R Е для середньої частоти (f = 1 кГц).
Таблиця для графіка:
Завдання 4: Дослідити залежність коефіцієнта посилення від величини опору R К для середньої частоти (f = 1 кГц).
Таблиця для графіка:
Графік 3. Залежність До вус від R Е
Графік 4. Залежність До вус від R До
Висновок: в даній роботі ми ознайомилися з принципом побудови RC-підсилювального каскаду, його основними характеристиками і призначенням елементів. Були детально розібрані еквівалентні схеми транзистора і підсилювача. Отримані основні характеристики транзисторного НЧ-підсилювача. Досліджувався вплив опорів емітера і колектора на коефіцієнт підсилення. Розбіжностей з теорій не спостерігається.
Література
1. В. Н. Ушаков. "Основи радіоелектроніки та радіотехнічні пристрої". М., «Вища школа», 1976.
2. Є.І. Манаєв. "Основи радіоелектроніки". М., «Радіо і зв'язок», 1985.
"Однокаскадний підсилювач низької частоти"
Полянчев С., Коротков Р.
Мета роботи: Вивчення схеми резистивної-ємнісного підсилювального каскаду на біполярному транзисторі і експериментальне визначення основних характеристик підсилювачів.
Теоретична частина.
1. Основні характеристики підсилювачів
Підсилювач здійснює збільшення енергії керуючого сигналу за рахунок енергії допоміжного джерела. Хоча в будь-якому підсилювачі відбувається посилення потужності сигналу, на практиці виділяють три групи підсилювачів: напруги, струму та потужності. Відповідно до цього діленням розрізняють коефіцієнти підсилення по напрямку, по струму і по потужності.
Коефіцієнт підсилення по напрузі або, ще кажуть, коефіцієнт передачі напруги K u - це відношення вихідної напруги
'Вих = U вих
K u =
де K u =
Аналогічно вводяться коефіцієнти підсилення по струму і по потужності:
K I =
Однією з важливих характеристик підсилювального каскаду є його амплітудна характеристика: залежність амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного сигналу. На рис.1 наведено частотна (а), фазова (б) і амплітудна (в) характеристики ідеального (пунктирна крива) і реального (суцільна лінія) підсилювачів.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
рис.1
На рис. 1а Δω = ω B-ω H називається смугою пропускання підсилювального каскаду.
Підсилювальний каскад є елементом певної радіотехнічної схеми - до входу підсилювача підключається джерело сигналу, а до виходу - навантаження. Для узгодження підсилювача з названими елементами, а також для аналізу роботи каскаду необхідно знати вхідний і вихідний опір підсилювача.
Вхідним опором підсилювача називається опір між його вхідними затискачами при впливі підсилюється сигналу, тобто
Z вх =
2. Завдання режиму роботи транзистора по постійному струму фіксованим струмом бази в схемах із загальним емітером
Схема однокаскадного підсилювача, придатного для практичного застосування, наведена на рис.2.
Рис. 2
Конденсатори з 1 і з 2 служать для поділу по постійному струму підсилювача і джерела сигналу. Опору R б і R к потрібні для створення необхідних постійних напруг між електродами транзистора. При цьому абсолютні значення напружень на тому чи іншому виведення, як правило, не відіграють істотної ролі, важливі лише відносні значення. Тільки після створення необхідних постійних напруг між окремими електродами транзистора або, як кажуть, режиму схеми по постійному струму, можлива нормальна робота підсилювального каскаду.
Для вибору режиму роботи транзистора необхідно знати сімейство його вихідних характеристик, тобто залежність струму колектора I к від напруги емітер-колектор U ек, для різних фіксованих значень струму бази I б. Буде потрібно, також, величина коефіцієнта передачі струму бази для обраного транзистора:
β =
На рис.3 наведено сімейство вихідних вольтамперних характеристик (ВАХ) транзистора і навантажувальна пряма.
рис.3
Точки перетину навантажувальної прямої, рівняння якої задається вибором E і R к, визначають постійні струми і напруги в схемі для фіксованого струму бази. На рис.3 вибрані величини позначені зірочками. Точка B носить назву робочої точки. У околиці цієї точки будуть відбуватися зміни напруг і струмів при подачі на вхід підсилювача змінного сигналу.
Вибір робочої точки диктується отриманням мінімальних нелінійних спотворень і максимального динамічного діапазону посилення вхідного сигналу.
Величина напруги джерела харчування E визначається заданим значенням змінної складової U вих. Так як U вих = U 0вих cosωt, то має бути E> 2 U 0вих. Зверху величина напруги джерела живлення обмежується гранично-допустимим значенням U ке max> E ≥ (2U 0вих +1).
Вибір R к повинен бути зроблений так, щоб робоча ділянка навантажувальної прямої не потрапляв в область неприпустимо великих потужностей розсіяння і область електричного пробою. Після того, як вибір F і R к зроблений, слід за допомогою опору R б зафіксувати струм бази I б *, щоб робочої точкою була точка B, що задовольняє, як видно з рис.3, вимогу мінімальних нелінійних спотворень і максимального динамічного діапазону підсилювача. Точці B відповідає U ке *=
Зазвичай у схемах з ОЕ на малопотужних біполярних транзисторах U бе становить десяті частки вольта при значеннях E одиниць вольта, тому з великою точністю можна вважати
I б =
Так як I к = β I б, то
R б =
Остаточно R б = 2βR до, видно, що R б залежить від параметра транзистора β.
Схема з фіксованим струмом бази потребує мінімум деталей і відрізняється малим споживанням струму від джерела живлення, так як R б - велике.
Однак, через розкиду параметрів транзисторів (β) при зміні транзистора доводиться перераховувати і R б. Іншим істотним недоліком є низька температура стабільності схеми.
Введення в ланцюг емітера невеликого за величиною опору R е, R е. <<R к дозволяє стабілізувати параметри підсилювача (коефіцієнт посилення K u стає практично незалежних від параметрів транзистора, а визначається, в основному, ставленням величин R к і R е, K u =
3. Зворотні зв'язки в підсилювачах
Зв'язок, що забезпечує повернення частини енергії сигналу з виходу підсилювача на його вхід, називається зворотним зв'язком (ОС). Структурна схема підсилювача з ОС має вигляд:
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Тут К - підсилювач з коефіцієнтом підсилення К; ж - ланцюг зворотного зв'язку; U x - напруга зворотного зв'язку; U р - вхідний сигнал; U вх - напруга, що управляє транзистором.
Та частина схеми, яка з U г і U x виробляє U вх, називається підсумовуючим вузлом.
Коефіцієнтом зворотного зв'язку називають відношення:
ж =
Якщо фази вхідного сигналу і напруги зворотного зв'язку збігаються, то така ОС називається позитивною, якщо фази названих напруг протилежні - негативною. У підсилювачах реалізується негативний зворотний зв'язок. Розглянемо вплив зворотного зв'язку на коефіцієнт підсилення підсилювача. За визначенням,
K =
Використовуючи ці визначення, можна записати наступний ланцюжок рівностей
Звідки випливає
U вих (1-ЯЖ) = Кu р
K ОС =
Величину (1 - ЯЖ) називають глибиною зворотного зв'язку.
З останнього рівності випливає, що при негативному зворотному зв'язку до =- ЯЖ і K ОС =
Практична частина
Завдання 1: Дослідити амплітудну характеристику підсилювача U вих = f (U вх).
R к = 1 кОм; R е = 100 Ом; R 1 = 10 кОм; R 2 = 750 Ом; С р = 1 мкФ; f = 1 кГц.
Таблиці для графіка:
| U вх, У | 0,18 | 0,24 | 0,28 | 0,32 | 0,36 | 0,44 | 0,52 |
| U вих, В | 1,3 | 1,9 | 2,3 | 2,8 | 3,2 | 3,7 | 4,5 |
| U вх, У | 0,6 | 0,7 | 0,76 | 0,88 | 1,12 | 1,3 | 1,4 |
| U вих, В | 5,2 | 6,2 | 6,8 | 7,8 | 10 | 11 | 11,2 |
Графік 1. Залежність U вих від U вх для підсилювача
Завдання 2: Дослідити залежність коефіцієнта посилення До вус від частоти для підсилювача.
1) Без конденсатора.Таблиці для графіка:
| f, Гц * 10 березня | 0,14 | 0,2 | 0,25 | 0,3 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1 | 1,2 | ||||||||
| До вус | 8,64 | 8,54 | 8,7 | 8,57 | 8,5 | 8,67 | 8,39 | 8,83 | 8,83 | ||||||||
| f, Гц * 10 березня | 1,4 | 1,8 | 2 | 4 | 10 | 15 | 20 | 30 | |||||||||
| До вус | 8,83 | 8,83 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9,67 | |||||||||
| f, Гц * 10 березня | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 160 | 180 | 200 |
| До вус | 8,79 | 8,75 | 9,33 | 9 | 9 | 8,93 | 8,89 | 8,85 |
Таблиці для графіка:
| f, Гц * 10 березня | 0,14 | 0,2 | 0,25 | 0,3 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1 |
| До вус | 12,31 | 14 | 15,88 | 19,41 | 24,12 | 33,53 | 43,53 | 49,51 |
| f, Гц * 10 березня | 1,2 | 1,4 | 1,8 | 2 | 4 | 10 | 20 | 30 |
| До вус | 52,94 | 56,47 | 66,67 | 69,33 | 75 | 80 | 84,29 | 89,23 |
| f, Гц * 10 березня | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 160 | 180 | 200 |
| До вус | 83,08 | 88 | 80 | 75 | 74,29 | 66,67 | 60 | 56,57 |
Графік 2. Залежність Кус від f з конденсатором (зверху) і без конденсатора (знизу)
Завдання 3: Дослідити залежність коефіцієнта посилення від величини опору R Е для середньої частоти (f = 1 кГц).
Таблиця для графіка:
| R Е, Ом | 100 | 200 | 470 |
| До вус | 49,41 | 38,89 | 30,56 |
Таблиця для графіка:
| R К, Ом | 1000 | 470 | 1500 |
| До вус | 40 | 21,43 | 62 |
Графік 3. Залежність До вус від R Е
Графік 4. Залежність До вус від R До
Висновок: в даній роботі ми ознайомилися з принципом побудови RC-підсилювального каскаду, його основними характеристиками і призначенням елементів. Були детально розібрані еквівалентні схеми транзистора і підсилювача. Отримані основні характеристики транзисторного НЧ-підсилювача. Досліджувався вплив опорів емітера і колектора на коефіцієнт підсилення. Розбіжностей з теорій не спостерігається.
Література
1. В. Н. Ушаков. "Основи радіоелектроніки та радіотехнічні пристрої". М., «Вища школа», 1976.
2. Є.І. Манаєв. "Основи радіоелектроніки". М., «Радіо і зв'язок», 1985.