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 fб всегда превышает fэ и переход эмиттер – база открыт.
Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного положительного напряжения U вx= = E (R б2 / (R б1 + R б2)) поступает также переменный сигнал U вx≈ (для простоты примем, что U вx≈ – гармонический сигнал), то в моменты, когда U вx≈ имеет положительную полярность, p – n -переход открывается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда U вx≈ имеет отрицательную полярность (но сохраняется U вx= + U вx≈ >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 UR = I к R к. Отсюда очевидно, что потенциал коллектора fк = Е – D UR = Е – I к R к зависит от того, насколько открыт переход эмиттер – база, т. е. от U вx.
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 выx = fк – fэ = Е – I к R к = Е – S U бэ R к = Е – S R к(U вx= + U вx≈) =
= Е – S R к U вx= – S R к U вx≈.
Два первых слагаемых представляют собой постоянное напряжение U вых=, а переменный выходной сигнал равен U выx≈ = – S R к U вx≈.
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
KU = | U выx≈/ U вx≈| = S R к.
Емкости C p1 и С p2 представляют 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 вx 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:
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 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;
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 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;
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)].
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 вx 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
