ЭиМТ_ЛР3_9502_Камышанова_Изланова_Позняк

МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра БТС

ОТЧЕТ по лабораторной работе №3

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» ТЕМА: Исследование усилителей на биполярных транзисторах различного класса.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы: исследовать усилитель на биполярных транзисторах различного класса.

Оборудование: NI ELVIS Bode Analyzer, макетная плата NI ELVIS.

Основные теоретические положения:

Основными характеристиками усилителя мощности являются: линейность,

коэффициент усиления, энергоэффективность и выходная мощность.

Для проектирования реальных схем первоочередными для рассмотрения являются эффективность усилителя и линейность получаемого сигнала.

Существует несколько вариантов классификации усилителей мощности, но наиболее часто используют разделения на классы. Класс усилителя определяется режимом работы активного элемента (усилительного каскада из биполярных или полевых транзисторов), параметрами схемы и входящих в неё пассивных элементов.

Усилитель мощности класса А.

Усилители класса А (рисунок 1) из-за своей конструкции являются самыми простыми из всех перечисленных раннее. По сути усилитель класса А — это усилительный каскад с общим эмиттером (каскад с общим истоком в случае полевых транзисторов) с углом проводимости сигнала 360º.

Эффективность усилителей класса А из-за непрерывной работы крайне низкая и может падать до значений в 25 %, что делает их малопригодными при работе с низкоомной нагрузкой, потребляющей большую мощность. Также данный класс предъявляет большие требования к источнику питания: сигнал от источника питания должен быть отфильтрован, потому что транзистор находится в открытом состоянии постоянно и любые помехи от источника питания усиливаются и передаются на выход.

2

Рис. 1. Схема усилителя класса А и выбор рабочей точки транзистора

Усилитель мощности класса В.

Усилитель класса B позволяет в некоторой степени избежать проблем с тепловыми потерями и низкой эффективностью. Самая простая схема класса

B включает в себя 2 комплементарных транзистора (полевых или биполярных), каждый из которых усиливает только половину входного сигнала (рисунок 2). В усилителе класса B постоянный ток смещения на базе отсутствует, транзисторы проводят ток только при наличии соответствующего управляющего сигнала. Эти факторы позволяют повысить энергоэффективность (в схеме отсутствует ток покоя коллектора), но выходной сигнал при этом имеет нелинейные искажения.

Стандартный усилитель класса B представляет собой пару последовательно соединённых транзисторов разной полярности (двухтактный эмиттерный повторитель). Эта пара транзисторов управляется от одного источника напряжения, генерирующего гармонический сигнал. Таким образом, они работают поочерёдно, по половине периода каждый. Если на вход подаётся положительный сигнал, то транзистор NPN типа (или N-канальный полевой транзистор) открывается, а транзистор PNP типа остаётся закрытым, и

наоборот. На выходе результаты работы обоих транзисторов складываются в единый линейный сигнал при угле проводимости каждого из транзисторов

180°. Такая двухтактная конструкция существенно увеличивает среднюю

3

эффективность усилителя, примерно до 50 %, но вместе с этим и добавляет нелинейное искажение в выходной сигнал в момент пересечения нулевого значения напряжения. Поскольку для каждого транзистора существует своё напряжение насыщения базы-эмиттера (примерено +0,6 Вольт для NPN и -0,6

Вольт для PNP), то в момент, когда управляющее напряжение находится в интервале между этими значениями, оба транзистора закрыты, поэтому часть усиливаемого сигнала пропадает.

Рис. 2. Схема усилителя класса В и выбор рабочей точки транзистора

Усилитель класса АВ.

Усилитель класса B в значительной мере снижает тепловые потери и повышает эффективность, но уступает при этом по параметру линейности выходного сигнала усилителям класса А. С целью решить обе проблемы был разработан усилитель класса АВ, который совмещает в себе оба режима и является наиболее распространённым классом линейных усилителей. В

усилителе класса АВ рабочая точка транзисторов выбирается таким образом,

чтобы угол проводимости транзисторов был в пределах от 180° до 360° (в

большинстве случаев угол незначительно превышает 180°). Таким образом каждый транзистор усиливает не ровно половину сигнала до пересечения

нулевого значения, а чуть больше, и искажение выходного сигнала

4

сглаживается, поскольку сигнал усиливается целиком без скачков и провалов,

связанных с переключением транзисторов. Для того чтобы добиться включения необходимого режима транзисторов к базам транзисторов подключают диоды, задающие начальное напряжение смещения, то есть транзисторы оказываются приоткрыты даже при отсутствии входного сигнала.

При этом ток, протекающий через диоды, может быть в десятки раз меньше,

чем ток покоя коллектора, необходимый для устойчивой работы усилителя класса A. Среднее значение эффективности таких усилителей примерно такое же, как и у класса В — порядка 50 %, но они сильно выигрывают по качеству и чистоте выходного сигнала. Благодаря этим свойствам, а также относительной простоте конструкции и отладки, данный класс линейных усилителей используется наиболее часто. Наиболее широкое применение усилители класса АВ находят в аудиотехнике, поскольку при достаточно высоких показателях эффективности они могут дать на выходе неискажённый сигнал.

Рис. 3. Схема усилителя класса АВ и выбор рабочей точки транзистора

5

Обработка результатов эксперимента:

1) Исследование усилителя с общим эмиттером.

Рис. 4. Первая схема смоделированная в MicroCap

Рис. 5. Графики входного и выходного сигнала первой схемы

Рис. 6. АЧХ И ФЧХ

Переставим каскад для работы только с половиной входного сигнала, сдвигая рабочую точку на уровень эммиттера.

6

Рис. 7. Первая схема с рабочей точкой на уровне эммитера

Рис. 8. Графики входного и выходного сигнала первой схемы с рабочей точкой на уровне эммитера

2) Исследование усилителя с общим коллектором.

Рис. 9. Схема с общим коллектором смоделированная в MicroCap

7

Рис. 10. График входного и выходного сигнала схемы с общим коллектором

Рис. 11. АЧХ И ФЧХ схемы с общим коллектором

3) Двухтактный эмиттерный повторитель (усилитель класса В).

Рис. 12. Третья схема смоделированная в MicroCap

8

Рис. 13. График входного и выходного сигнала

4) Улучшенный двухтактный эмиттерный повторитель (усилитель класса АВ).

Рис. 14. Четвертая схема смоделированная в MicroCap

Рис. 15. График входного и выходного сигнала

9

1) Исследование усилителя с общим эмиттером.

Рис.16 АЧХ и ФЧХ

Рис.17 Входной и выходной сигнал усилителя с общим эмиттером

Рис.18 Схема усилителя с общим эмиттером на установке

10