ЛА2-Усилительный каскад с общим эмиттером (Новы..

Лабораторная работа № 2

Усилительный каскад с общим эмиттером

Цель работы

Изучить назначение, принцип действия, свойства и возможные схемотехнические решения усилительного каскада с общим эмиттером.

2. Задание

1. Ознакомиться с принципами построения, характеристиками и свойствами усилительного каскада с общим эмиттером.
2. Исследовать свойства усилительного каскада с общим эмиттером, построенного на биполярных транзисторах.

3. Пояснения к лабораторной работе

3.1. Краткие сведения

При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных транзисторах, использующие схему включения транзистора с общим эмиттером. Базовая схема усилителей с вспомогательными элементами показана на рис. 1, где обозначено: Ucc напряжение питания, Ui входное напряжение, Uo выходное напряжение, Rk сопротивление коллекторной нагрузки, С разделительный конденсатор, Re эмиттерное сопротивление, Rl, R2 резисторы делителя, задающего режим каскада по постоянному току.

Рис. 1. Базовый усилительный каскад с ОЭ

В зависимости от тока коллектора транзистора и величины падения напряжения на электродах транзистора усилительного каскада, а также от амплитуды входного сигнала различают следующие режимы усиления: А, В, С, D.

Усилительные каскады характеризуются входным Rвх и выходным Rвых сопротивлением, коэффициентом усиления тока Ki и напряжения Кu. Ниже в качестве справочной информации приводятся приближенные выражения для этих характеристик:
Rвх =
·(Re + Re"); (1)
Rвых = Rk/[
· + (Re + Re")(Rk + Ri)/(Re + Re" + Rj)]; (2)
Ku = – Rk/(Re + Re"); (3)
Ki =
·. (4)
В приведенных формулах Re" объемное сопротивление эмиттерного перехода;
·  коэффициент усиления тока транзистора в схеме с ОБ; Rj внутреннее сопротивление источника входного сигнала с учетом сопротивлений параллельно включенных резисторов Rl, R2;
· коэффициент усиления тока транзистора в схеме ОЭ.

3.2 Исследуемые свойства

Для усилительного каскада класса А расчет статического режима заключается в выборе такого коллекторного тока Ico (его называют током покоя или током в рабочей точке), при котором падение напряжения на коллекторной нагрузке Rk, во-первых, равно падению напряжения на транзисторе (напряжение коллектор-эмиттер Uce) и, во-вторых, было бы меньше амплитудного значения при максимальном входном сигнале. Первое условие применительно к схеме на рис. 2 запишется следующим образом:
Iko Rk+ Uce + IeoRe = Ucc, (5)
где Ieo =
· Ico/(
· – 1) ток покоя эмиттера.
Поскольку
·»1 (в рассматриваемом примере
· = 100), то
Ieo= Icо. (6)
В таком случае выражение (5) запишется в виде:
2IcoRk + IeoRe = Ucc, (7)
откуда находим ток покоя
Iсo = Ucc/(2Rk + Re). (8)
Рассмотрим теперь базовую цепь транзистора. Напряжение на базе относительно общей шины (с учетом того, что Iт ~ Iсo)
Ubo = Ubeo + IcoRe, (9)
где Ube0 напряжение база-эмиттер (для кремниевых транзисторов оно находится в пределах 0,7...0,9 В).
Поскольку Ub0 равно падению напряжения на резисторе R2, ток через него равен
I2 = Ubo/R2 = (Ubeo + IcoRe)/R2. (10)
Через резистор R1 протекает сумма тока базы, равного Iсo/
·, и тока I2. Падение напряжения на резисторах Rl, R2 равно напряжению питания Ucc. Поэтому для базовой цепи:
R1(Ico/
·
·
·
·Ub
·R2) + Ub = Ucc. (11)
Если руководствоваться требованиями высокой термостабильности каскада (см. ниже), то необходимо выбирать
R1>>R2,
Ico/
·<Ube = IcoRe.
В таком случае с учетом (2) и (3) из (4) получаем выражение для ориентировочного расчета сопротивлений резисторов схемы с ОЭ:
R1/R2 = Rk/Re. (13)
Подставляя в формулу (6) значения сопротивлений резисторов, используемых в схеме на рис. 2, убеждаемся в справедливости этого соотношения. При этом, как следует из показаний вольтметров, падение напряжения на коллекторном сопротивлении составляет 10 5,55 = 4,45 В и близко к значению падения напряжения на транзисторе 5,55 0,886 = 4,67 В, что соответствует первому условию обеспечения режима А.
Коэффициент усиления каскада с ОЭ рассчитывается по приближенной формуле
Ku = Rk/Re (если Re не зашунтировано емкостью). (14)
В рассматриваемом примере он равен 5. Следовательно, при амплитуде выходного напряжения 4,5 В (второе условие обеспечения режима А) на вход усилителя можно подать сигнал с амплитудой 4,5/5 = 0,9 В.
Достоинством режима класса А является минимум нелинейных искажений. Его недостатком является низкий КПД (меньше 0,5) поэто
·му он используется чаще всего в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.


3.3. Схема для исследования каскада с ОЭ

схема для исследования каскада с ОЭ показана на рис. 2. В схеме использованы функциональный генератор для задания входного сигнала: для этого открыть меню INSTRUMENTS и достать генератор (FUNCTION GENERATOR). Клемму "+" генератора соединить с конденсатором, центральный вывод - с землёй. Осциллограф предназначен для контроля режима усиления. Открыть меню INSTRUMENTS и достать осциллограф (OSCILLOSCOPE). Раскрыть осциллограф. Соединить клемму канала А осциллографа со входом каскада, т.е. с точкой Ui. Щёлкнуть два раза левой кнопкой мыши по проводнику, идущему от клеммы канала А. В появившемся окне выбрать страницу SCHEMATIC OPTIONS, на ней нажать кнопку SET WIRE COLOR и выбрать цвет провода (зелёный). Клемму канала В соединить с выходом каскада, т.е. с точкой Uo. Для проводника, идущего от клеммы канала В, аналогично предыдущему случаю выбрать цвет (синий). Клемму GROUND соединить с землёй. Вольтметры предназначены для контроля статического режима, поэтому они включены как приборы постоянного тока (DC mode). В программе EWB для рассматриваемой схемы нельзя отключать функциональный генератор, поэтому при моделировании статического режима необходимо установить минимальную амплитуду сигнала (в нашем случае 1 мкВ).

Рис. 2. Усилительный каскад с ОЭ

Осциллограммы входного и выходного сигналов исследуемого усилителя показаны на рис. 2. Из осциллограмм видно, что выходной сигнал (осциллограмма А) по форме повторяет входной сигнал (осциллограмма В), но с инвертированием фазы на 1800 .

4. Порядок выполнения работы

4.1. Предварительная подготовка

1. Изучить описание данной работы по методическим указаниям к выполнению лабораторной работы и дополнительной литературе.
2. Подготовить конспект по работе, начертив схемы экспериментов с обозначением номиналов элементов и типов транзисторов и таблицы для записи результатов экспериментов.
4.2. Выполнение работы

4.2.1. Исследование статического режима

Исследование усилителя начинается с определения режима транзистора по постоянному току, который называют статическим режимом. В режиме А ток в выходной цепи усилителя протекает в течение всего периода сигнала. Резисторы Rl и R2 используются для смещения рабочей точки каскада. Изменяя величину сопротивления R1 или R2 можно изменять напряжение смещения рабочей точки каскада.
Uсм = Uп*R2/(R2+R1)
Для данной схемы: Uсм = 12Ч10000/(10000+50000) = 2 В.

Исследовать влияние напряжения смещения (Ui) на выходное напряжения усилительного каскада (U0), падение напряжения на сопротивление в цепи эмиттера(URe) и на КЭ переходе транзистора (Uкэ).
Таблица 1.
R1, кОм
10
25
50
75
100
125
150
200

Ui, В
3.577
2.741
1.935
1.373
1.065
0.869
0.735
0.562

U0, В
2.825
3.051
6.108
8.772
10.09
10.71
11.06
11.43

URe, В
2.787
1.966
1.175
0.633
0.364
0.237
0.166
0.091

Uкэ= U0-URe, В
0.038
1.085
4.933
8.139
9.726
10.473
10.894
11.339

Постройте зависимости U0, URe, Uкэ (Ui). Установите значение R1=50 кОм для следующего эксперимента. Смените режим измерения всех вольтметров с DC на AC.

4.2.2. Исследование влияния Rk на коэффициент усиления каскада

Произвести измерение напряжений URe и U0 в зависимости от Rk. Найти расчетное и экспериментальное значение коэффициента усиления Ku. Сравнить полученные значения коэффициента.
Таблица 2.
Rk, кОм
2
10
20

Ui, В
0.353
0.353
0.353

U0, В
0.342
1.697
2.506

Ku_расч = Rk/Re
1
5
10

Ku_эксперим = U0/ Ui
1.032
4.807
7.099

Зарисуйте осциллограммы для всех 3-х случаев. Установите значение Rk=10 кОм для следующего эксперимента. Смените режим измерения у вольтметра Ui с AC на DC.

4.2.4. Исследование влияния напряжения смещения на усиление каскада

Произвести измерение напряжения U0 в зависимости от R1.
Таблица 3.
R1, кОм
10
25
50
75
100
125
150
200

Ui, В
3.577
2.741
1.935
1.373
1.065
0.869
0.735
0.562

U0, В
2.825
3.051
6.108
8.772
10.09
10.71
11.06
11.43

Ku_эксперим = U0/ Ui
0.789
1.113
3.156
6.389
9.474
12.325
15.047
20.338

Постройте зависимость Ku_эксперим (R1).


4.2.5. Исследование частотных характеристик каскада

Для исследуемой схемы зарисовать АЧХ и ФЧХ. Для этого открыть меню INSTRUMENTS, и достать измеритель АЧХ и ФЧХ (BODE PLOTTER). Одну из клемм IN соединить со входом усилителя, вторую - с элементом земли. Одну из клемм OUT соединить с точкой Uo, вторую - так же с землёй.

Рис. 3. Схема эксперимента.

Зарисовать полученные ФЧХ и АЧХ.
2кОм

10кОм






20кОм


5. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:
Наименование работы, краткое описание исследуемых устройств, используемых в экспериментальных исследованиях.
Принципиальные схемы проведенных экспериментов с обозначением выводов и номиналов элементов, используемых при проведении экспериментальных исследований.
Полученные результаты исследования, сведенные в таблицы.
Временные диаграммы сигналов, полученные с помощью осциллографа.

6. Контрольные вопросы

Что такое усилительный каскад?
Что такое рабочая точка транзистора?
Какие классы усиления вы знаете?
Как обеспечивается режим усиления класса А?
Что такое обратная связь в ОЭ?
Что такое устойчивость каскада и ее связь с АЧХ и ФЧХ?

Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 315

Приложенные файлы

  • doc 11316691
    Размер файла: 266 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий