ЛР_3
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра ЭПУ
ОТЧЁТ
по лабораторной работе №3
по дисциплине «Аналоговая схемотехника»
«МАЛОМОЩНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ»
Студенты гр. 8204 |
|
Дичковский Д. Ю. |
|
|
Овсянников А. И. |
Преподаватель |
|
Шаповалов С. В. |
Санкт-Петербург
2021
Цель работы: освоение способа установки рабочей точки транзисторного усилителя, оценка термостабильности рабочей точки, измерение входного и выходного сопротивления и коэффициента усиления по напряжению двух распространенных схем усилительных каскадов на транзисторах в режиме усиления малых сигналов.
Основные теоретические положения
Два исследуемых усилителя выполнены по схеме с общим эмиттером (рисунок 1). Оба усилителя работают в режиме класса А.
Состояние усилителя при отсутствии входного сигнала называется состоянием покоя или исходной рабочей точкой (ИРТ). Напряжение на выходе усилителя в состоянии ИРТ называется напряжением покоя или напряжением смещения рабочей точки. Если на вход усилителя подать переменный входной сигнал, то максимальная амплитуда и отсутствие искажений у выходного сигнала могут быть достигнуты, если напряжение покоя будет равно примерно половине напряжения питания (рисунок 2).
Рис. 1. Схемы усилителей на биполярных транзисторах: а - с балластным резистором в цепи базы; б - с делителем в цепи базы и эмиттерным резистором.
Рис. 2. Исходная рабочая точка транзисторного усилителя класса А.
Реальный биполярный транзистор может работать в активном режиме при напряжениях UКЭ более 1 В. Таким образом, максимальная амплитуда неискаженного сигнала обеспечивается на выходе транзисторного усилителя, если в точке покоя UКЭ будет составлять немногим более UП/2. Примем для определенности UКЭ в ИРТ равным +7 В при U п = 12 В.
Выходной ток транзисторного усилителя зависит от мощности, которую следует отдавать в нагрузку. Пусть в проводимых исследованиях ток коллектора IК при UВХ=0 будет невелик, например, IК = 5 мА.
В схеме (рисунок 1, а) исходная рабочая точка транзистора задается током базы IБ с помощью балластного резистора, включенного между базой и плюсом источника питания. Из заданного значения напряжения смещения рабочей точки UКЭ и тока коллектора IК однозначно вытекает необходимое значение сопротивления RК, а также необходимый ток базы IБ:
где β – коэффициент усиления транзистора по постоянному току.
Тогда необходимое сопротивление резистора в цепи базы имеет вид:
Схема с балластным резистором обладает низкой температурной стабильностью, так как коэффициент усиления схемы по напряжению (то есть коэффициент усиления полезного сигнала) прямо зависит от β, который, в свою очередь, зависит от температуры. Кроме того, поскольку коэффициент усиления транзистора по постоянному току – параметр, сильно отличающийся у разных экземпляров транзисторов, то невозможно построить усилитель по схеме с балластным резистором в цепи базы с жестко заданными характеристиками.
Лучшую температурную стабильность, а также возможность задания коэффициента усиления по напряжению имеет схема, изображенная на рисунок 1 б. Если ток базы транзистора много меньше, чем сквозной ток, протекающий через делитель R1, R2, то потенциал базы в данной схеме зависит только от номиналов резисторов R1 и R2:
Потенциал эмиттера открытого кремниевого транзистора приблизительно на 0.65 В ниже, чем UБ, т.е. UЭ=UБ–0.65. Так как ток базы в сотни раз меньше тока коллектора, то без значительного ущерба для точности расчета ток коллектора может быть принят равным току эмиттера, т.е. IК=IЭ=UЭ/RЭ.
Коэффициент усиления схемы по напряжению
Таким образом, задав значения коэффициента усиления и RК, можно задать и RЭ. Зная необходимое значение тока усилителя, можно также рассчитать UБ, a далее c помощью (**) – необходимый коэффициент деления делителя R1, R2. Последнее, что необходимо рассчитать, это числовые значения сопротивлений делителя R1, R2. Для этого по заданному значению IК рассчитывается ток базы по формулам (*), a затем – необходимый ток делителя, который должен быть значительно больше тока базы.
Результирующее входное сопротивление усилителя в целом рассчитывается как параллельное соединение сопротивлений R1 и R2. Выходное сопротивление усилителя, как и в схеме c заземленным эмиттером, близко к RК.
Схемы измерений:
Рис 3. Схема проведения измерений для усилителя с балластным резистором в цепи базы.
Рис. 4. Схема проведения измерений для усилителя с делителем в цепи базы и эмиттерным резистором.
Обработка результатов
Изменение тока коллектора при нагреве:
Падение напряжения на RК:
Ток коллектора:
Ток базы:
Коэффициент передачи по току:
Коэффициент усиления схемы:
Выходное сопротивление: 093
Входной ток:
Входное сопротивление:
Для второй цепи были произведены аналогичные расчёты. Результаты всех расчётов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры двух исследуемых схем.
Эксперимент |
Измеряемый параметр |
Результат измерения |
|
Зависимость напряжения рабочей точки от температуры |
UРТ до нагрева |
6,98 В |
10,6 В |
UРТ после нагрева |
6,75 В |
10,6 В |
|
Исходная рабочая точка |
Падение напряжения на Rк (ток коллектора IК) |
5,02 В 5,02 мА |
1,4 В 7,86 мА |
Падение напряжения на постоянном резисторе в цепи базы (ток базы IБ) |
10,67 В 0,022702 мА |
0,666 В 0,0398 мА |
|
Коэффициент β |
197,42 |
197,42 |
|
Режим усиления Входного сигнала |
Амплитуда входного сигнала UВХ |
136 мВ |
136 мВ |
Амплитуда выходного сигнала UВЫХ |
2,12 В |
2,28 В |
|
Коэффициент усиления схемы kU |
15,59 |
16,76 |
|
Измерение входного сопротивления |
Падение напряжения на входном резисторе URвх |
0,08 В |
0.12 В |
Ток входного сигнала |
8*10-6 А |
12*10-6 А |
|
Входное сопротивление RIN |
17 кОм |
11,33 кОм |
|
Измерение выходного сопротивления |
Амплитуда напряжения на выходе без нагрузки |
2,12 В |
2.28 В |
Амплитуда напряжения на выходе с нагрузкой |
1,72 В |
2,08 В |
|
Выходное сопротивление ROUT |
1093 Ом |
1442 Ом |
Выводы
В ходе выполнения лабораторной работы был освоен способ установки рабочей точки транзисторного усилителя для двух видов схем (с балластным резистором и с делителем и эмиттерным резистором). Схема с делителем отличается значительно большей термостабильностью рабочей точки, в отличие схемы с балластным сопротивлением (во второй схеме напряжение рабочей точки не изменялось с нагревом). Коэффициенты усиления обеих схем были приблизительно равны друг другу, отличия могли возникнуть из-за температурных зависимостей напряжений. Использование в схеме балластного сопротивления и делителя в цепях позволяет ограничивать схему от излишнего напряжения, а также позволяют выравнивать напряжение/ток в цепи, получая сигналы на выходе без искажений и с такой же амплитудой, как на входе. Подобного рода схемы также позволяют ограничиться на выходе достаточно низкими сопротивлениями порядка единиц кОм.
ПРОТОКОЛ НАБЛЮДЕНИЙ: