изучение схемы усилителя. Лабораторная работа №1.. Цель работы Ознакомиться с основными типами усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Освоить основные этапы проектирования транзисторного усилительного каскада и методику измерения коэффициента усиления транзистора по току.
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
Цель работы: Ознакомиться с основными типами усилительных каскадов на биполяр–ных транзисторах. Освоить основные этапы проектирования транзисторного усилительного каскада и методику измерения коэффициента усиления транзистора по току. Научиться снимать основные параметры усилительного каскада – входное и выходное сопротивления, АЧХ. Основные теоретические положения. Каскад с общим эмиттером имеет достаточно высокий коэффициент усиления (пропорциональный β), средние (приемлемые на практике) значения входного и выходного сопротивлений и поэтому широко используется в практической схемотехнике. Главная проблема, возникающая при его использовании – задание рабочей точки транзистора (синоним – смещение транзистора). Дело в том, что в эскизных схемах подразумевается, что ток IК может как увеличиваться, так и уменьшаться, то есть в отсутствие входного сигнала он должен иметь некоторое определённое значение, которое должно определять падение напряжения на резисторе RК и, следовательно, выходное напряжение каскада в отсутствие входного сигнала. Поскольку это выходное напряжение имеет минимальное значение, равное нулю (транзистор полностью открыт), а максимальное – EК (транзистор полностью закрыт), логично задать значение тока IК в отсутствие входного сигнала таким, чтобы выходное напряжение равнялось EК/2. В этом случае сопротивление резистора RК следует выбрать равным EК/(2IК0), где IК0 – значение коллекторного тока в отсутствие входного сигнала. Этот ток должен обеспечить ток базы IБ0= IК0/β. Классический способ создания такого тока в каскаде с общим эмиттером показан на рис. 1.  Рис. 1. Схема усилительного каскада с ОЭ с заданием рабочей точки с помощью стабильного тока базы (а) и график, иллюстрирующий её работу (б) Ток базы задаётся резистором RБ, падение напряжения на котором равно URБ ≈ EК – 0,7В. При условии  сопротивление резистора RБ можно оценить как При таком задании рабочей точки в отсутствие входного сигнала выходное напряжение равно EК/2, при положительном входном сигнале ток базы увеличивается и выходное напряжение уменьшается, при отрицательном – увеличивается (рис. 1). Таким образом, выходной сигнал содержит постоянную составляющую и обычно от неё избавляются, применяя разделительный конденсатор. Кроме того, вход каскада не должен быть соединён по постоянному току с источником входного сигнала, поэтому необходимо подключать входной сигнал ко входу каскада также через разделительный конденсатор. Альтернативный способ задания рабочей точки транзистора изображён на рис. 2. В этом способе используется задание постоянного напряжения на базе транзистора UБЭ, которое создаётся делителем напряжения на резисторах Rб1 – Rб2: Два описанных способа задания рабочей точки традиционно используются в любых устройствах на базе биполярного транзистора.  Рис. 2. Схема усилительного каскада с ОЭ с заданием рабочей точки с помощью стабильного напряжения UБЭ Как коэффициент усиления каскада, так и его входное и выходное сопротивления зависят от индивидуальных параметров транзистора (β, rБ и rК). Более того, замена транзистора в рабочем усилительном каскаде влечёт за собой необходимость заново устанавливать рабочую точку. Этого можно избежать с помощью введения в каскад последовательной отрицательной обратной связи (ООС) по току (рис. 3). В этой схеме на вход транзистора (напряжение база- эмиттер) подаётся разность входного сигнала и падения напряжения на резисторе Rэ, которое пропорционально току IК. Коэффициент усиления каскада определяется уже не индивидуальными параметрами транзистора, а величинами сопротивлений резисторов, входящих в схему: KУ=RК/RЭ. Установку рабочей точки в схеме можно также обеспечить заданием тока базы при помощи резистора Rб, или с помощью напряжения на базе, которое задаётся делителем напряжения.  Рис. 3. Схема усилительного каскада с ОЭ с последовательной ООС по току Согласно общим положениям теории систем с обратной связью, введение последовательной отрицательной обратной связи по току приводит к тому, что входное сопротивление усилительного каскада значительно увеличивается. Моделирование в САПР Microcap 1) Управление током коллектора с помощью тока базы Коллектор и база транзистора Q1 подключены к питанию (батарея V1) через резисторы R1 и R2 соответственно (рис. 1). Примем напряжение питания равным 15 Вольт:  . Зададим коллекторный ток  равным 1 мА (ток покоя). Напряжение на выходе в режиме покоя без входного сигнала (точка Out) должна соствлять половину питания:  .  Рис. 1. Общий вид схемы усилителя с общим эмиттером Найдем сопротивление R1. Так как на выходе необходимо получить 7.5 В, а напряжение питания равняется 15 В, то падение напряжения на резисторе R1 равно:   Сопротивление R1 можно рассчитать по закону Ома:   Далее необходимо рассчитать сопротивление резистора базы. Так как падение напряжения на переходе База-Эмиттер равняется 0.6В, то падение напряжения на резисторе R2 должно составлять:  Ток коллектора связан с током базы  через безразмерный коэффициент усиления по току β:  ,Для модели транзистора 2N2222 примем коэффициент  Далее находим ток базы:   Следовательно, теперь мы можем рассчитать сопротивление резистора R2:   Перенесём полученные значения в схему  Рис. 2. схема с полученными значениями Измерим напряжение на элементах (режим анализа Dynamic DC):  Рис.3. Результаты анализа Как видно из результатов анализа, значение напряжения в точке out на выходе схемы отличается от расчетного значения вследствие нестабильности коэффициента усиления  , который мы использовали при расчётах.2) Управление током коллектора с помощью напряжения на базе Дополним предыдущую схему делителем напряжения (резисторы R1 и R2) в цепи базы и эмиттерным сопротивлением R4:  Рис.4. Усилитель с общим эмиттером с делителем напряжения в цепи базы Напряжение источника питания U1, как и в предыдущем случае, равно 15В, ток колектора задаем равным 1 мА, напрчяжение на выходе в режиме покоя  R3=7.5кОм, R2 для удобства расчёта делителя напряжения зададим равным 10кОм, R4 возьмём равным 1кОм. Делая допущение о равенстве тока эмиттера и коллектора, IК≈IЭ, можем найти падение напряжение на резисторе R4:  Рассчитаем сопротивление R1. Падение напряжения на pn-переходе база-коллектор  В. Следовательно, падение напряжения на резисторе R2 (другими словами, на базе транзистора) можно найти следующим образом:  . Дальнейший расчет можно проводить, используя формулу расчёта делителя напряжения.  отсюда     Рис.5. Делитель напряжения в цепи базы Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:   Подставим полученные значения в схему.  Рис.6. Схема с рассчитанными значениями Измерим напряжение на элементах (режим анализа Dynamic DC):  Рис.7. Результаты анализа Все напряжения примерно соответствуют расчетным данным. Далее необходимо проверить работу собранного усилителя в режиме усиления малых входных сигналов. Для этого добавляем в цепь базы развязывающий конденсатор C1 емкостью в 1 мкФ (который служит в качестве фильтра верхних частот, пропуская только переменную составляющую сигнала и отсекая постоянную составляющую, которую мы не хотим усиливать) и источник синусоидального сигнала (для источника задаём следующие параметры: частота 1кГц и амплитуда 500 мВ). Собираем схему с учетом новых компонентов:  Рис.8. Схема с подключенным источником сигнала Далее запустим анализ переходных процессов, в параметрах задаем нужный временной диапазон (примерно 10 периодов входного сигнала) и шаг по времени (в 1000 раз меньше временного диапазона), смотрим изменение напряжения в точке out (на выходе схемы, выходной сигнал снимается с коллектора):  Рис.9. Результаты анализа переходных процессов Как видно по графику происходит инвертирование сигнала, а также усиление амплитуды входного сигнала с 0,5 В до примерно 12,2 В, коэффициент усиления по напряжению равен примерно 7,5, что совпадает с расчетными данными. Оценка работы биполярного транзистора. Для расчета схем с транзисторами необходимо знать их характеристики. Выходные характеристики биполярного транзистора при схеме включения с общим эмиттером представляют собой зависимости силы тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при различных постоянных значениях тока базы Выходная характеристика для iб=0 похожа на обратную ветвь вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Чем больше сила тока базы, тем выше расположена выходная характеристика. Активная область на семействе выходных характеристик транзистора ограничена максимально допустимым током коллектора, максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер, гиперболой максимально допустимой мощности рассеяния и неуправляемым током коллектора (ток коллектора при iб=0). Для уменьшения нелинейных искажений рабочую область ограничивают также слева Характеристики транзисторов, как и всех полупроводниковых элементов, очень сильно зависит от температуры. При увеличении температуры сопротивление полупроводников уменьшается и токи в них увеличиваются. Поэтому семейство выходных характеристик при увеличении температуры смещается вверх .  Рис.10. График семейства выходных характеристик транзистора Выходная характеристика для транзистора, используемого в работе (указать, какого) Проверка схемы с помощью осциллографа.  Рис.11. График входных и выходных характеристик транзистора Из рисунка выше видно, что сигнал инвертирован и его входная амплитуда равна 849 мВ, а выходная 5,942 Вольта. Коэффициент усиления:  Коэффициент с учетом погрешности приборов верен. Порядок выполнения лабораторной работы Получить у преподавателя задание – марку транзистора, входящего в состав усилительного каскада, рабочее значение тока коллектора IК0, напряжение источника питания ЕПИТ, нижнюю граничную частоту каскада fН. Измерить величины β используемого транзистора (с помощью мультиметра). Рассчитать и собрать схему усилительного каскада (для двух схем – с заданием тока базы, затем с заданием напряжения). Включить питание и удостовериться, что смещение установлено правильно и в отсутствие входного сигнала на транзисторе падает половина напряжения источника питания. Если это необходимо, подрегулировать значение падения напряжения на транзисторе, изменяя сопротивление резистора базы RБ. Выбрать входной синусоидальный сигнал с частотой в диапазоне 1 кГц … 10 кГц, и амплитудой не более 2 В. Подключить входной сигнал к входу усилительного каскада через разделительный конденсатор, ёмкость которого выбрать надлежащим способом. С помощью осциллографа убедиться, что сигнал усиливается без значительных нелинейных искажений. Если искажение заметны, уменьшить амплитуду входного сигнала и далее при измерениях использовать именно эту амплитуду входного сигнала. Измерить амплитуду (или действующее значение) выходного сигнала с помощью осциллографа либо с помощью вольтметра переменного тока. Убедиться, что увеличение частоты входного сигнала в 2…3 раза не приводит к изменению амплитуды выходного сигнала. Измерив амплитуду (действующее значение) входного переменного то IВХ, вычислить входное сопротивление каскада как отношение величины входного напряжения к величине входного тока: RВХ ≈ UВХ\IВХ. Снять АЧХ усилительного каскада. Определить по ней верхнюю и нижнюю граничные частоты каскада fН и fВ. Содержание отчёта Отчет должен содержать: Протокол проведенной лабораторной работы со всеми данными и графиками, подписанный преподавателем. Теоретическую часть с описанием исследуемых каскадов, необходимыми теоретическими расчётами, моделированием в САПР MicroCap. Задание на лабораторную работу – тип усилительного каскада, марку транзистора, входящего в его состав, рабочее значение тока коллектора, напряжение источника питания, нижнюю граничную частоту каскада. Схемы разработанного усилительного каскада с вычисленными номиналами элементов. Измеренные значения всех напряжений на транзисторе. Таблицу измерений и график АЧХ усилительного каскада. Задание на виртуальную работу: NPN-транзисторы
PNP-транзисторы
Частота входного сигнала – номер в списке группы, у первого 1 кГц, у второго 2 кГц и так далее. Обработка результатов эксперимента(вариант 1). Задание : Частота входного сигнала = 1кГц . NPN-транзисторы
Напряжение питания равным 5 Вольт  . Зададим коллекторный ток равным 1 мА (ток покоя). Напряжение на выходе в режиме покоя без входного сигнала (точка Out) должна соствлять половину питания:  .  Рис. 12. Общий вид схемы усилителя с общим эмиттером Найдем сопротивление R1. Так как на выходе необходимо получить 2.5 В, а напряжение питания равняется 5 В, то падение напряжения на резисторе R1 равно:   Сопротивление R1 можно рассчитать по закону Ома:  Далее необходимо рассчитать сопротивление резистора базы. Так как падение напряжения на переходе База-Эмиттер равняется 0.6В, то падение напряжения на резисторе R2 должно составлять:  Ток коллектора связан с током базы через безразмерный коэффициент усиления по току β: ,Для модели транзистора 2N2222 примем коэффициент Далее находим ток базы: Следовательно, теперь мы можем рассчитать сопротивление резистора R2:  Перенесём полученные значения в схему :  Рис.13.Схема с полученными значениями Измерим напряжение на элементах (режим анализа Dynamic DC):  Рис.14. Результаты анализа Как видно из результатов анализа, значение напряжения в точке out на выходе схемы отличается от расчетного значения вследствие нестабильности коэффициента усиления , который мы использовали при расчётах.2) Управление током коллектора с помощью напряжения на базе Дополним предыдущую схему делителем напряжения (резисторы R1 и R2) в цепи базы и эмиттерным сопротивлением R4:  Рис.15. Усилитель с общим эмиттером с делителем напряжения в цепи базы Напряжение источника питания U1, как и в предыдущем случае, равно 5В, ток колектора задаем равным 1 мА, напрчяжение на выходе в режиме покоя  R3=2.5кОм, R2 для удобства расчёта делителя напряжения зададим равным 10кОм, R4 возьмём равным 1кОм. Делая допущение о равенстве тока эмиттера и коллектора, IК≈IЭ, можем найти падение напряжение на резисторе R4: Рассчитаем сопротивление R1. Падение напряжения на pn-переходе база-коллектор В. Следовательно, падение напряжения на резисторе R2 (другими словами, на базе транзистора) можно найти следующим образом: . Дальнейший расчет можно проводить, используя формулу расчёта делителя напряжения. отсюда   Рис.16. Делитель напряжения в цепи базы Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:  Подставим полученные значения в схему.  Рис.17. Схема с рассчитанными значениями Измерим напряжение на элементах (режим анализа Dynamic DC):  Рис.18. Результаты анализа Все напряжения примерно соответствуют расчетным данным. Далее необходимо проверить работу собранного усилителя в режиме усиления малых входных сигналов. Для этого добавляем в цепь базы развязывающий конденсатор C1 емкостью в 1 мкФ (который служит в качестве фильтра верхних частот, пропуская только переменную составляющую сигнала и отсекая постоянную составляющую, которую мы не хотим усиливать) и источник синусоидального сигнала (для источника задаём следующие параметры: частота 1кГц и амплитуда 500 мВ). Собираем схему с учетом новых компонентов:  Рис.19. Схема с подключенным источником сигнала   Далее запустим анализ переходных процессов, в параметрах задаем нужный временной диапазон (примерно 10 периодов входного сигнала) и шаг по времени (в 1000 раз меньше временного диапазона), смотрим изменение напряжения в точке out (на выходе схемы, выходной сигнал снимается с коллектора):  Рис.20.а. Результаты анализа переходных процессов(вх сигнал)  Рис.20.б. Результаты анализа переходных процессов  Рис.20.в. Результаты анализа переходных процессов Как видно по графику происходит инвертирование сигнала, а также усиление амплитуды входного сигнала с 0,5 В до примерно 3,92В, коэффициент усиления по напряжению равен примерно 2,5, что совпадает с расчетными данными.  Рис.21. Результаты анализа(ток и напряжение) PNP-транзисторы
Напряжение питания равным -5 Вольт  . Зададим коллекторный ток равным 1 мА (ток покоя). Напряжение на выходе в режиме покоя без входного сигнала (точка Out) должна соствлять половину питания:  . Найдем сопротивление R1. Так как на выходе необходимо получить - 2.5 В, а напряжение питания равняется -5 В, то падение напряжения на резисторе R1 равно:  Сопротивление R1 можно рассчитать по закону Ома:  Далее необходимо рассчитать сопротивление резистора базы. Так как падение напряжения на переходе База-Эмиттер равняется 0.6В, то падение напряжения на резисторе R2 должно составлять:  Ток коллектора связан с током базы через безразмерный коэффициент усиления по току β: ,Для модели транзистора 2N3906 примем коэффициент  Далее находим ток базы:  Следовательно, теперь мы можем рассчитать сопротивление резистора R2:   Рис.22. Результаты анализа 2) Управление током коллектора с помощью напряжения на базе Дополним предыдущую схему делителем напряжения (резисторы R1 и R2) в цепи базы и эмиттерным сопротивлением R4:  Рис.23. Усилитель с общим эмиттером с делителем напряжения в цепи базы Напряжение источника питания U1, как и в предыдущем случае, равно 5В, ток колектора задаем равным 1 мА, напрчяжение на выходе в режиме покоя R3=2.5кОм, R2 для удобства расчёта делителя напряжения зададим равным 10кОм, R4 возьмём равным 1кОм. Делая допущение о равенстве тока эмиттера и коллектора, IК≈IЭ, можем найти падение напряжение на резисторе R4:  Рассчитаем сопротивление R1. Падение напряжения на pn-переходе база-коллектор В. Следовательно, падение напряжения на резисторе R2 (другими словами, на базе транзистора) можно найти следующим образом:  . Дальнейший расчет можно проводить, используя формулу расчёта делителя напряжения. отсюда   Рис.24. Результаты анализа Все напряжения примерно соответствуют расчетным данным. Далее необходимо проверить работу собранного усилителя в режиме усиления малых входных сигналов. Для этого добавляем в цепь базы развязывающий конденсатор C1 емкостью в 1 мкФ (который служит в качестве фильтра верхних частот, пропуская только переменную составляющую сигнала и отсекая постоянную составляющую, которую мы не хотим усиливать) и источник синусоидального сигнала (для источника задаём следующие параметры: частота 1кГц и амплитуда 500 мВ). Собираем схему с учетом новых компонентов:  Рис.25. Схема с подключенным источником сигнала  Рис.26.а. Результаты анализа переходных процессов(вх сигнал)  Рис.26.б. Результаты анализа переходных процессов(вых сигнал)  Рис.26.в. Результаты анализа переходных процессов(вх и вых сигнал) Вывод: |