Митаьалала. Лабораторная работа 5 Исследование работы транзисторных каскадов Цель

• Название: Лабораторная работа 5 Исследование работы транзисторных каскадов Цель
• Анкор: Митаьалала
• Дата: 10.02.2022
• Размер: 304.83 Kb.
• Имя файла: Л.р.%205.docx
• Тип: Лабораторная работа; #357100

Лабораторная работа № 5

Исследование работы транзисторных каскадов

Цель:

1. 
   Исследование коэффициента усиления по напряжению в усилителях с общим эмиттером и общим коллектором.
   
2. 
   Определение фазового сдвига сигналов в усилителях.
   
3. 
   Измерение входного и выходного сопротивлений усилителей и исследование их влияния на коэффициент усиления по напряжению.
   
4. 
   Анализ влияния нагрузки на коэффициент усиления по напряжению.
   
5. 
   Исследование влияния разделительного конденсатора на усиление переменного сигнала.
   

1. Краткие сведения из теории

Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разнообразием. Вместе с тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же, он показан на примере структурной схемы на рисунке 5.1, а.

-Е _i
0 t

Uвых

0 t
Uвх


а) б)

Рисунок 5.1 – Принцип построения (а) и временные диаграммы (б) усилительного каскада

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный (полевой) транзистор и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал

^U _ÂÕ , принятый на рисунке 5.1 а) для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал ^U _ÂÛÕ снимается с выхода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротивления УЭ и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием, входного напряжения. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону, задаваемому входным сигналом.

Ввиду использования для питания источника постоянного напряжения Е ток i в выходной цепи каскада является однонаправленным (рисунок 5.1 а). При этом переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входного сигнала) следует рассматривать как переменные состав- ляющие суммарных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие I_Пи U_Пи (рисунок 5.1 б). Связь между постоянными и перемен- ными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения пере- менных составляющих не превышали постоянных составляющих, т. е. I_П ≥ I_mи U_П ≥ U_m. Если эти условия не будут выполняться, ток i в выходной цепи на от- дельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы вы- ходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилительного кас- када при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть соз- даны постоянные составляющие тока I_Пи напряжения U_П. Задачу решают пу- тем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответст- вующего постоянного напряжения U_ВХП(или задания соответствующего посто- янного входного тока I_ВХП). Постоянные составляющие тока и напряжения оп- ределяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры ре- жима покоя по входной цепи (I_ВХП, U_ВХП) и по выходной цепи (I_П, U_П) характе- ризуют электрическое состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения тран- зистора, выполняющего роль управляемого элемента. Анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится для трех способов включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Усилительный каскад с общим эмиттером. Схема усилителя с общим эмиттером представлена рисунке 5.2.



Рисунок 5.2 – Схема усилительного каскада ОЭ

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОЭ приближенно равен отношению сопротивления в цепи коллектора r_К сопротивлению в цепи эмиттера r_Э: K_U=r_К/ r_Э, где r_К- сопротивление в цепи коллектора, которое определяется параллельным соединением сопротивления коллектора Rк и сопротивления нагрузки R_Н.

r_К = R_К R_Н /(R_К+R_Н)

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОЭ приближенно равен отношению сопротивления в цепи коллектора r_К сопротивлению в цепи эмиттера r_Э: K_U=r_К/ r_Э, где r_К- сопротивление в цепи коллектора, которое определяется параллельным соединением сопротивлений коллектора Rк и нагрузки R_Н.

r_К = R_К R_Н /(R_К+R_Н)

r_Э- дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, равное 25мВ/I_Э. Для усилителя с сопротивлением R_Эв цепи эмиттера коэффициент усиления равен: K_U=r_К/(r_Э+R_Э)

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения U_BXи входного тока I_ВХ

^r ВХ^{= U}BX^{/ I}ВХ

Входное сопротивление транзистора ri определяется по формуле: ri =r_Э

Входное сопротивление усилителя по переменному току r_ВХвычисляется как параллельное соединение сопротивлений ri, R1 и R2:

1/r_ВХ= 1/R1+1/R2+1/ri

Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжению Uxx холостого хода на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивлении нагрузки, превышающем 200 кОм, и по напряжению Uвых, измеренному для данного сопротивления нагрузки R_H, из следующего уравнения, решаемого относительно ^rВЫХ^:

U_BX/Uxx = R_H /( R_H+ r_ВЫХ)

Сопротивление R_H 200 кОм можно считать разрывом в цепи нагрузки.

Усилительный каскад с общим коллектором.

Схема усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя представлена на рисунке 5.3.

Е

Рисунок 5.3 - Схема усилительного каскада ОК

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОК определяется из следующего выражения: K_U=r_Э/(r_Э+R_Э)

Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим кол- лектором приближенно равен единице, поскольку Rэ обычно мало по сравнению с сопротивлением rэ. Из-за этого свойства каскад ОК называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление усилителя r_ВХпо переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения U_BXи входного тока I_ВХ:

^rВХ ^{= u}BX ^{/ i}ВХ

Входное сопротивление эмиттерного повторителя по переменному току определяется следующим выражением: riэ = (r_Э + R_Э). В данном случае для определения входного сопротивления каскада нужно принять во внимание со- противление резисторов R1 и R2. С учетом сказанного получим:

1/R_ВХ= 1/R1+1/R2+1/riэ

При расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, вклю- чаемой параллельно сопротивлению эмиттера Rэ. Из выражений для входного сопротивления видно, что эмиттерный повторитель обладает высоким входным сопротивлением по сравнению с каскадом с ОЭ. В общем случае выходное сопротивление эмиттерного повторителя в _AC+1 раз меньше сопротивления Rист источника сигнала на входе эмиттерного повторителя:

r_ВЫХ = Rист/(_AC+1)+ r_Э

Если сопротивление Rист источника сигнала на входе эмиттерного по- вторителя пренебрежимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного по- вторителя будет равно дифференциальному сопротивлению перехода база- эмиттер: r_ВЫХ = rэ

В случае, когда сопротивление Rист на входе очень велико (сравнимо с

_ACRэ), сопротивление Rэ должно быть учтено как включенное параллельно найденному выходному сопротивлению эмиттерного повторителя.

Экспериментально выходное сопротивление каскада можно определить по результатам двух измерений: измерения напряжения холостого хода Uxx (на выход каскада подключается сопротивление порядка 200 кОм и измеряется па- дение напряжения на нем) и измерения выходного напряжения Uвых при на- личии нагрузки сопротивлением Rн. После измерений выходное сопротивление можно подсчитать по формуле:

r_ВЫХ = R_H /( Uxx - Uвых)/ Uвых

Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлениям каскад с общим коллектором очень часто используют в качестве согласующего между источником и нагрузкой.

2. Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование каскада с общим эмиттером в области малого сигнала.

а) Построить схему, изображенную на рисунке 5.4 (с10_010). Установоч- ные параметры приборов также должны соответствовать изображению.



Рисунок 5.4 – Схема исследования каскада ОЭ

б) Включить схему. Для установившегося режима в раздел "Результаты экспериментов" записать результаты измерений амплитуд входного и выходного напряжений, разности фаз входного и выходного синусоидальных сигналов. По результатам измерений амплитуд входного и выходного синусоидальных напряжений, вычислить коэффициент усиления усилителя по напряжению. Результат записать в раздел "Результаты экспериментов".

в) Для схемы на рисунке определить ток эмиттера. По его значению вы- числить дифференциальное сопротивление rэ эмиттерного перехода. Используя найденное значение, вычислить коэффициент усиления каскада по напряжению. Результаты записать в раздел "Результаты экспериментов".

г) Подключить резистор R_Dмежду точкой U_BXи конденсатором C1, ра- зомкнув ключ [Space]. Включить схему. Измерить амплитуды входного U_BXи выходного Uвых напряжения. Вычислить новое значение коэффициента усиле- ния по напряжению по результатам измерений. Результаты записать в раздел "Результаты экспериментов".

д) Переместить щуп канала А осциллографа в узел Ub. Снова включить схему и измерить амплитуду ub входного синусоидального напряжения в точке Ub. По результатам измерения напряжения Ub и Uout вычислить коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада. По результатам измерения амплитуд напряжения U_BXи Ub вычислить входной ток Iвх. По значениям Uвх и Iвx вычислить входное сопротивление rвх усилителя по переменному току. Ре- зультаты записать в раздел "Результаты экспериментов".

, полученному в экспе- рименте 1 и величине дифференциального эмиттерного сопротивления rэ вы- числить входное сопротивление транзистора ri. Вычислить значение rвх, ис- пользуя значения сопротивлении R1, R2 и ri. Результаты записать.

ж) Замкнуть резистор R_Dмежду узлом U_BXи конденсатором C1, замкнув ключ [Space]. Переместить щуп канала А осциллографа в узел Uin. Установить номинал резистора RL 2 кОм. Затем включить схему и измерить амплитуды входного и выходного синусоидального напряжения. Используя результаты из- мерений, вычислить новое значение коэффициента усиления по напряжению. Результаты записать в раздел "Результаты экспериментов".

з) Используя результаты измерений амплитуды выходного синусоидаль- ного напряжения в пункте б) и пункте ж), значение сопротивления нагрузки в пункте ж) вычислить выходное сопротивление усилителя. Результат записать в раздел "Результаты экспериментов".

и) Установить номинал резистора RL 200 кОм. Переставить щуп канала В осциллографа в узел Uc и включить схему. Измерить постоянную составляющую выходного сигнала и записать результат измерения.

к) Вернуть щуп канала В осциллографа в узел Uout. На осциллографе ус- тановить масштаб для входа 10 мВ/дел. Убрать шунтирующий конденсатор Сз и включить схему. Измерить амплитуды входного и выходного синусоидального напряжения. По результатам измерений вычислить значение коэффициента усиления каскада с ОЭ с сопротивлением в цепи эмиттера по напряжению. За- писать результаты в раздел "Результаты экспериментов".

л) По величине сопротивления rэ и значению сопротивления Rэ вычислить значение коэффициента усиления усилителя с ОЭ с сопротивлением в цепи эмиттера по напряжению.

Эксперимент 2. Исследование каскада с общим коллектором в облас- ти малого сигнала.

а) Построить схему, изображенную на рисунке 5.5 (файл с10_011).




Рисунок 5.5 - Схема исследования каскада ОК

Установочные параметры приборов в схеме должны соответствовать ус- тановочным параметрам приборов на рисунке. Для удобства при проведении

эксперимента оставьте увеличенным только изображение осциллографа и мультиметра. Мультиметр должен быть установлен для измерения постоянного напряжения.

б) Включить схему. Измерить постоянные составляющие напряжения в точках Ub и Uе. Вычислить постоянные составляющие напряжения в точках Ub, Ue и ток эмиттера, используя значения параметров компонентов схемы (Ubэ= 0.7 В). Результаты записать в раздел "Результаты экспериментов".

в) Закрыть увеличенное изображение мультиметра, оставив увеличенным только изображение осциллографа. Включить схему. Измерить амплитуды входного и выходного напряжения. Определить разность фаз между входным и выходным напряжением. По результатам измерений вычислить коэффициент усиления по напряжению. Вычислить коэффициент усиления эмиттерного по- вторителя по напряжению, используя параметры схемы. Записать результаты.

г) Подключить резистор между точкой Uin и конденсатором С1, разомк- нув ключ [Space]. Включить схему. Измерить амплитуды входного и выходного синусоидального напряжения. По результатам измерений амплитуды входного синусоидального сигнала в этом и предыдущем пунктах вычислить входной ток. По величинам I_ВХи U_BXвычислить дифференциальное входное сопротивление rвх. Записать результаты в раздел "Результаты экспериментов".

д) Используя значения параметров компонентов схемы, вычислить вход- ное сопротивление каскада rвх (=200).

е) Закоротить резистор, замкнув ключ [Space]. Изменить номинал рези- стора R_Lдо 200 кОм. Затем включить схему и записать результаты измерения выходного напряжения в раздел "Результаты экспериментов". Это напряжение приблизительно равно напряжению холостого хода, так как сопротивление 200 кОм можно считать разрывом цепи. Уменьшить значение этого сопротивления до 200 Ом и снова включить схему. Измерить амплитуду напряжения на нагрузке. Вычислить выходное сопротивление каскада по результатам измерений. Запишите значения напряжения холостого хода, напряжения на нагрузке и вы- ходного сопротивления каскада в раздел "Результаты экспериментов".

3. Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Исследование каскада с общим эмиттером в области малого сигнала.

б) Амплитуда входного напряжения: измерение

Амплитуда выходного напряжения: измерение

Разность фаз входного и выходного

синусоидального напряжения измерение

Коэффициент усиления усилителя по напряжению расчет

в) Ток эмиттера расчет

Дифференциальное сопротивление

эмиттерного перехода расчет

Коэффициент усиления усилителя по напряжению расчет

г) Амплитуда входного напряжения измерение

Амплитуда выходного напряжения измерение

Коэффициент усиления усилителя по напряжению расчет

д) Амплитуда входного напряжения ub измерение Коэффициент усиления усилителя по напряжению расчет Входной ток расчет

Входное сопротивление усилителя расчет

е) Коэффициент передачи тока Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rэ Сопротивления R1 и R2

Входное сопротивление транзистора расчет

Входное сопротивление усилителя расчет

ж) Амплитуда входного напряжения: измерение

Амплитуда выходного напряжения: измерение

Коэффициент усиления усилителя по напряжению расчет з) Амплитуда напряжения холостого хода расчет Амплитуда выходного напряжения: расчет

Сопротивление нагрузки расчет

Входное сопротивление усилителя расчет

и) Постоянная составляющая выходного

напряжения измерение

к) Амплитуда входного напряжения: измерение

Амплитуда выходного напряжения: измерение

Коэффициент усиления каскада ОЭ с

сопротивлением в цепи эмиттера по напряжению расчет

л) Коэффициент усиления усилителя по напряжению расчет

Эксперимент 2. Исследование каскада с общим коллектором в области малого сигнала

б) Постоянная составляющая входного измерение

напряжения в точке Ub расчет

Постоянная составляющая входного измерение

напряжения в точке Uе расчет

Ток эмиттера расчет

в) Амплитуда входного напряжения: измерение

Амплитуда выходного напряжения: измерение

Разность фаз входного и выходного

синусоидального напряжения

измерение

Коэффициент усиления усилителя по напряжению расчет

г) Амплитуда входного напряжения ub измерение

Амплитуда выходного напряжения измерение

Входной ток расчет

Дифференциальное входное сопротивление усилителя расчет

д) Дифференциальное входное сопротивление расчет

е) Напряжение холостого хода измерение

Напряжение на нагрузке 200 Ом измерение

Выходное сопротивление каскада расчет

4. Контрольные вопросы

1. 
   *Что такое База (Б), Коллектор (К), Эмиттер (Э)? Нарисуйте схему
   
2. 
   
   *Что такое транзисторные каскады?
   
3. 
   -Объясните принцип построения усилительных каскадов. Какие элементы являются основными элементами каскада?
   
4. 
   -Объясните принцип действия усилительного каскада ОЭ.
   
5. 
   -Объясните принцип действия усилительного каскада ОК.