ЛБ5. Отчет по лабораторной работе 5 Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах
 Скачать 323.95 Kb.
|
Инженерная школа энергетики Направление 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» Отделение Электроэнергетики Отчет по лабораторной работе №5 «Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах» Вариант 20   Выполнил: Студент группы 5А8Б ____________Овчинникова Д.А. (дата, подпись) Проверил преподаватель: ____________ Лазуткина Е.E. (дата, подпись)  Лабораторная работа № 5 «ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ» Цель работы: изучение основных свойств усилительных каскадов на биполярных транзисторах, определение их входных и выходных сопротивлений. Экспериментальная часть Опыт №1 Собираем цепь согласно рис. 1. В ней напряжение смещения регулируется потенциометром 1 кОм. Последовательно с источником переменного сигнала и на выходе включены конденсаторы 1 мкФ для развязки цепей постоянного и переменного тока. На входе имеется также токоограничивающее сопротивление 1 кОм. Для стабилизации характеристик транзистора включено сопротивление 10 Ом в цепь эмиттера.  Рис.1. Имитационная схема с общим эмиттеромИсточник питания: V1 – 15 В. Резисторы: R1 – 4700 Ом; R3 – 1 кОм (потенциометр); R2 – 1000 Ом; R6 – 1000 Ом; R4 – 330; R5 – 10 Ом. Транзистор: Q1 – BC637. Приборы измерения: U1, U2, U4, U5 – вольтметры в режиме измерения переменного напряжения. U3 – вольтметр в режиме измерения постоянного напряжения. Устанавливаем с помощью потенциометра R3 напряжение на вольтметре U3 примерно равным  . Подаем на вход усилителя синусоидальное напряжение и, регулируя его амплитуду, устанавливаем на входе максимальный сигнал, соответствующий неискажённому напряжению на выходе. Регулирование входного напряжения осуществляется с помощью генератора входного сигнала XFG1. Осциллограмма приведена на рис.2.  Рис.2. Осциллограммы напряжения на входе и на выходе усилительного каскада с общим эмиттером Запишем в табл. 1 входное и выходное напряжения (вольтметры U2 и U4). Для определения тока базы и тока коллектора измерим также напряжения на резисторе 1 кОм (URГ) во входной цепи и на резисторе 330 Ом в цепи коллектора (URн ) c помощью вольтметров U1 и U5. Вычислим ток базы (входной ток) и ток коллектора (выходной ток), разделив напряжения на соответствующие сопротивления. Запишем получившиеся данные в табл. 1.   Определим коэффициенты усиления по напряжению, току, и мощности:    Для определения выходного сопротивления подключим к выходу (параллельно вольтметру U4) нагрузочное сопротивление Rн = 1 кОм (рис. 3).  Рис.3. Имитационная схема с общим эмиттером для напряжения Uвых1При этом напряжение на выходе уменьшится от Uвых, которое уже записано в табл. 1, до Uвых1. Запишем это значение также в табл. 1и вычислим выходное сопротивление по формуле:  Уберем нагрузочное сопротивление R7 (рис. 3), а для определения входного сопротивления включим добавочное сопротивление Rдоб 1 кОм во 5 входную цепь (последовательно с генератором переменного напряжения рис. 4). При этом напряжение на выходе уменьшится от Uвых до Uвых2. Запишем это значение также в табл. 1 и вычислим входное сопротивление по формуле:   Рис.4. Имитационная схема с общим эмиттером для напряжения Uвых2Опыт №2 Источник питания: V1 – 40 В. Резисторы: R1 – 4700 Ом; R3 – 40 кОм (потенциометр); R2 – 1000 Ом; R6 – 1000 Ом; R5 – 330; R5 – 10 Ом. Транзистор: Q1 – BC637. Приборы измерения: U1, U2, U4 – вольтметры в режиме измерения переменного напряжения; U3 – вольтметр в режиме измерения постоянного напряжения;  Рис.5. Имитационная схема с общим коллекторомВыставили максимальное значение входного сигнала в генераторе XFG1, которое позволяет получить сигнал без искажения на выходе (рис. 6).  Рис.6. Осциллограммы напряжения на входе и на выходе усилительного каскада с общим эмиттером Запишем в табл. 1 входное и выходное напряжения (вольтметры U2 и U4). Для определения тока базы и тока эмиттера измерим также напряжения на резисторе 1 кОм (URГ) во входной цепи и на резисторе 330 Ом в цепи коллектора (URн ) c помощью вольтметров U1 и U3. Вычислим ток базы (входной ток) и ток эмиттера (выходной ток), разделив напряжения на соответствующие сопротивления, и также запишем их в табл. 1.   Определим коэффициенты усиления по напряжению, току, и мощности:    Для определения выходного сопротивления подключим к выходу (параллельно вольтметру U4) нагрузочное сопротивление Rн = 0,47 кОм . При этом напряжение на выходе уменьшится от Uвых, которое уже записано в табл. 1, до Uвых1.  Рис.7. Имитационная схема с общим коллектором для напряжения Uвых1 Запишем это значение также в табл. 1 и вычислим выходное сопротивление по формуле:  Уберем нагрузочное сопротивление, а для определения входного сопротивления включим добавочное сопротивление Rдоб 4700 Ом во входную цепь (последовательно с генератором переменного напряжения). При этом напряжение на выходе уменьшится от Uвых до Uвых2.  Рис.8. Имитационная схема с общим коллектором для напряжения Uвых2Запишем это значение также в табл. 1 и вычислим входное сопротивление по формуле:  Таблица – 1
Вывод: В ходе лабораторной работы были рассмотрены две схемы включения биполярного транзистора: с общим эмиттером, общим коллектором. Были определены их входные и выходные сопротивления и токи, рассчитанны коэффициенты усиления по напряжению, току, и мощности. Схема с общим коллектором дает высокое усиление по току и мощности, но не дает усиление по напряжению. Ответы на контрольные вопросы: 1.Для чего служат делители напряжения в цепи базы усилительных каскадов? Делители напряжения в цепи базы усилительных каскадов используют для того, чтобы получить заданное выходное напряжение из большего входного (постоянного или переменного) напряжения. 2. Почему происходит искажение выходного сигнала? В реальном усилителе форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала. Отклонение формы выходного напряжения усилителя от формы входного усиливаемого сигнала называется искажением сигнала. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного. 3. Как влияет температура на биполярный транзистор? Существенным недостатком транзисторов является зависимость их характеристик от изменения температуры, или температурная нестабильность. При повышении температуры увеличивается электропроводность полупроводников, и токи в них возрастают. В наибольшей степени возрастает обратный ток p-n-перехода (начальный ток коллектора). Это приводит к изменению характеристик p-n-перехода. Одновременно температурные изменения оказывают влияние на величину коэффициентов передачи. Изменение обратных токов и коэффициентов усиления приводит к смещению входных и выходных характеристик транзисторов, что может привести к нарушению его нормальной работы или схемы на его основе. 4. В чем особенность эмиттерного повторителя? Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало. Особенностью повторителя является то, что при управлении малыми переменными сигналами к нему благодаря низкому сопротивлению можно подключать низкоомную нагрузку. 5. Почему схема с ОБ имеет наибольший коэффициент по напряжению? Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Частотная характеристика транзистора это - способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, эта величина зависит от типа транзистора. 6. Основные особенности схемы с ОК. Схема каскада с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией обладает лучшими характеристиками по стабильности параметров. В ней глубина обратной связи по постоянному току приближается к 100%. 7. В каком из усилителей происходит инвертирование сигнала и в чём оно выражается? Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада (порядка сотен ом), высокое (порядка десятков кОм) выходное сопротивление. Отличительная особенность - изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (то есть - инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК. 8. Какой из усилителей имеет наибольший коэффициент усиления по мощности? При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. 9. Что такое режим покоя усилителя? Режим работы усилителя, когда включены источники питания и подано смещение, но Uвх=0, называется режимом покоя. 10. Почему на низких частотах наблюдается уменьшение коэффициента усиления? В операционном усилителе (а в общем, в любом многокаскадном усилителе), начиная с некоторой частоты наблюдается спад коэффициента усиления, обусловленный тем, что усилительный каскад для сигналов, поступающих от источника, имеющего конечный импеданс (комплексное сопротивление двухполюсника для гармонического сигнала), является емкостной нагрузкой, и, таким образом каскад эквивалентен фильтру низких частот. 11. В каких областях можно применять каждый из усилителей? Схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi. В настоящее время она обычно применяется в виде готовых интегральных микросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы, практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы. Схема включения транзистора с ОБ используется обычно в высокочастотных усилителях. Для приведения входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному волновому сопротивлению линий передачи 50 Ом обычно используются фильтры нижних или верхних частот. При индуктивном сопротивлении базы и коллектора транзистора в рабочем диапазоне частот усилителя, эти реактивности могут быть включены в состав индуктивности фильтра. |
