Исследование усилителя низкой частоты

Целью работы является исследование характеристик усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Основные положения. Усилителем называется устройство, пред-назначенное для увеличения интенсивности сигналов без искажения их формы. По роду усиливаемых сигналов различают усилители гармонических сигналов, усилители импульсных сигналов и усилители постоянного тока. В свою очередь, усилители гармонических сигналов делятся на усилители низкой частоты (УНЧ) и усилители высокой частоты (УВЧ). УНЧ пред-назначены для усиления сигналов с частотами от нескольких десятков герц до сотен килогерц. УВЧ служат для усиления колебаний высоких частот – порядка сотен килогерц и выше. Полоса усиливаемых частот в УВЧ обычно мала, поэтому в качестве нагрузки таких усилителей используют резонансные системы; отсюда их название – резонансные усилители.

В данной лабораторной работе исследуется УНЧ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Схема усилителя приведена на рис. 2.1.

К базе транзистора приложено постоянное положительное напряжение, определяемое значением напряжения источника питания Е и соотношением сопротивлений R _б₁ и R _б2 (R _б₁ и R _б2 называют базовым делителем), поэтому f_б всегда превышает f_э и переход эмиттер – база открыт.

Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного положительного напряжения U _в_x₌= E (R _б2 / (R _б1 + R _б2)) поступает также переменный сигнал U _в_x_≈ (для простоты примем, что U _в_x_≈ – гармонический сигнал), то в моменты, когда U _в_x_≈ имеет положительную полярность, p – n -переход открывается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда U _в_x_≈ имеет отрицательную полярность (но сохраняется U _в_x₌+ U _в_x_≈ >0), переход частично закрывается и ток уменьшается. Ток через p – n -переход эмиттер – база называют током эмиттера (I _э). Внутри транзистора он разделяется на небольшой ток базы I _б << I _эи ток коллектора I _к ≈ I _э. В свою очередь, ток коллектора (I _к) течет через коллекторное сопротивление (R _к) и создает на нем напряжение D U_R = I _к R _к. Отсюда очевидно, что потенциал коллектора f_к = Е – D U_R = Е – I _к R _к зависит от того, насколько открыт переход эмиттер – база, т. е. от U _в_x.

Для аналитического описания зависимости I _к от U _бэчасто используют параметр S = D I _к/D U _бэ, который называется крутизной. Единица измерения крутизны – ампер на вольт [А/В]. Термин «крутизна» связан с очень редко встречающимися в справочниках «сквозными» вольт-амперными характеристиками транзисторов. Итак,

U _вы_x = f_к – f_э = Е – I _к R _к = Е – S U _бэ R _к = Е – S R _к(U _в_x₌ + U _в_x_≈) =

= Е – S R _к U _в_x=– S R _к U _в_x≈.

Два первых слагаемых представляют собой постоянное напряжение U _вых=, а переменный выходной сигнал равен U _вы_x_≈ = – S R _к U _в_x_≈.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером при подаче переменного сигнала на базу транзистора обеспечивается формирование на коллекторе такого же переменного сигнала, отличающегося от входного амплитудой и знаком. При прохождении сигнала через схему имеет место сдвиг фазы, равный 180°). Коэффициент передачи схемы по напряжению

K_U = | U _вы_x_≈/ U _в_x_≈| = S R _к.

Емкости C _p₁ и С _p₂представляют собой элементарные фильтры высоких частот, обеспечивающие развязку последовательно соединенных схем по постоянному сигналу. Назначение резистора R _э – обеспечивать термостабилизацию параметров схемы. К сожалению, наличие R _э негативно влияет на коэффициент усиления схемы, поэтому на рабочих частотах сигнала его шунтируют, применив для этой цели блокировочный конденсатор С _э.

На характеристики УНЧ оказывает влияние также паразитная емкость С _пар: ее обычно учитывают как подключенную между коллектором транзистора и землей.

Амплитудная характеристика схемы с общим эмиттером приведена на рис. 3.1, амлитудно-частотная – на рис. 3.2.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор гармонических сигналов, два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3

С помощью перемычек на макете можно устанавливать различные значения коллекторного сопротивления (R 3, R 4), одной из разделительных (С 5, С 6) и блокировочной (С 2, С 3)емкостей; возможно и отключение блокировочной емкости. Емкости С 7и С 8 имитируют паразитную емкость. Кроме того в схеме можно с помощью резистора R 5 и конденсатора С 4 создать частотно-зависимую обратную связь. Потенциометр R 6 позволяет изменять значение встроенного в макет сопротивления нагрузки.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать амплитудную характеристику усилителя:.

а) собрать схему, установив на макете R _к = R 3, С _р2= С 5, С _э= С 2; С 7и С 8, а также обратную связь R 5– С 4 отключить. Потенциометр R 6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения U _в_x от 5 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту (f) входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить U _лин _max – максимальное значение входного сигнала, при котором график амплитудной характеристики не отклоняется от линейной зависимости;

в) повторить измерение при R _к = R 4.

3. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя:

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (f _гр) схемы, исходя из условия K (f _гр) ≈ 0,7 [max K (f)];

в) Повторить измерение при R _к = R 4.

4. Исследование влияния емкости разделительного конденсатора на частотные свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R _к = R 3, С _р2= С 6, С _э= С 2; С 7и С 8, а также обратную связь R 5– С 4 отключить. Потенциометр R 6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц. Определить нижнюю граничную частоту (f _гр) схемы, исходя из условия K (f _гр) ≈ 0,7 [max K (f)].

5. Исследование влияния емкости блокировочного конденсатора на частотные свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R _к = R 3, С _р2= С 5, С _э= С 3; С 7и С 8, а также обратную связь R 5– С 4 отключить;

в) повторить измерение при отключении как С 2, так и С 3.

6. Исследование влияния паразитной емкости на амплитудно-частотную характеристику усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R _к = R 3, С _р2= С 5, С _э= С 3; С _пар= = С 7, R 5– С 4 отключить. Потенциометр R 6 установить в среднее положение;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 кГц…200 кГц. Определить верхнюю граничную частоту f _гр схемы, исходя из условия K (f _гр) ≈ 0,7 [max K (f)];

в) повторить измерение при С _пар= С 8.

7. Исследование влияния обратной связи на свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R _к = R 3, С _р2= С 5, С _э= С 2; С 7и С 8 отключить. Подключить обратную связь R 5– С 4. Потенциометр R 6 установить в среднее положение;

8. Исследование влияния нагрузки на частотные свойства усилителя:

а) собрать схему, установив на макете R _к = R 3, С _р2= С 5, С _э= С 2; С 7и С 8, а также обратную связь R 5– С 4 отключить. Потенциометр R 6 установить в крайнее левое положение;

б) измерить амплитудную характеристику схемы, изменяя значения U _в_x от 5 мВ до достижения заметных нелинейных искажений выходного сигнала. Частоту входного сигнала выбрать в пределах 1…10 кГц. Определить U _лин _max – максимальное значение входного сигнала, при котором график АХ не отклоняется от линейного;

в) повторить измерение при крайнем правом положении R 6;

г) измерить АЧХ схемы в диапазоне частот 20 Гц…200 кГц.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях амплитудных и амплитудно-частотных характеристик.

2. Схема макета.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–8 (графики АХ, АЧХ, значения U _лин_max и f _гр). График АЧХ, измеренной для схемы п. 3,а следует сопоставлять отдельно с графиками АЧХ, снятыми во всех остальных случаях (п. п. 3,в; 4,б; 5,б; 6,б; 7,б; 8,г).

4. Выводы.

Лабораторная работа № 4