Лабораторный практикум по физике для вечернего фак 2007

Контрольные вопросы

1.Что колеблется при распространении звука в воздухе?

2.Объясните принцип преобразования электрического сигнала в звуковой с помощью динамика.

3.Объясните принцип преобразования звукового сигнала в электрический с помощью микрофона.

4.Какие волны называются продольными, какие − поперечны-

ми?

51

ЛИТЕРАТУРА

Работа 1

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 1. Механика. М.: Нау-

ка. Физматлит, 1998. стр.285−293.

•Иродов И.Е. Механика. Основные законы. М.: Лаборатория Базо-

вых Знаний, 2000. стр.212−215.

Работа 2

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 2. Электричество и магнетизм. М.: Наука, Физматлит, 1998. стр.310−317

•Иродов И.Е. Механика. Основные законы. М.: Лаборатория Базо-

вых Знаний, 2000. стр.216−218.

•Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. стр.311−320.

Работа 3

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 2. Электричество и магнетизм. М.: Наука, Физматлит, 1998. стр.317−322

•Иродов И.Е. Механика. Основные законы. М.: Лаборатория Базо-

вых Знаний, 2000. стр.219−222.

•Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. стр.320−325.

Работа 4

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 1. Механика. М.: Наука, Физматлит, 1998. стр.276−281

•Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 2. Электричество и магнетизм. М.: Наука, Физматлит, 1998. стр.310−313

•Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. стр.311−320.

Работа 5

•Ronald Lane Reese «University physics», Brooks/Cole Publishing Company, 2000. p.985-987

Работа 6

Савельев И.В. Курс общий физики. Книга 4. Волны. Оптика. М.: ООО «Издательство Астрель», ООО «Издательство АСИ», 2002. стр.25−29.

52

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Работа 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЕЙШЕГО УСИЛИТЕЛЯ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Цель работы: изучение принципа работы простейшего усилителя на биполярном транзисторе; исследование зависимости коэффициента усиления от величины входного и выходного сопротивлений.

Введение

Во многих областях науки и техники используется понятие сигнала. Под сигналом понимают некоторые физические величины (например, напряжение и ток), несущие определенную информацию. Устройства, вырабатывающие информационные сигналы, называются датчиками. Сигналы, поступающие от датчиков, как правило, малы, поэтому их непосредственная обработка (измерение, наблюдение) связана с большими трудностями. В связи с этим возникает необходимость увеличения амплитуды сигналов. Для этой цели используют устройства, называемые усилителями.

Усилитель получает слабый сигнал от датчика, усиливает его и отдает в последующее устройство, называемое нагрузкой усилителя. То место, куда поступает сигнал от датчика, называется входом усилителя, а сам сигнал - входным сигналом. То место, откуда выходит усиленный сигнал, называется выходом усилителя, а сигнал - выходным сигналом.

Один из самых распространенных типов усилителей - электронные усилители. Усиление в них осуществляется с помощью электронных приборов (биполярные и полевые транзисторы, операционные усилители и т.д.), которые называют активными элементами.

Основным свойством любого усилителя является усиление мощности. Если усилитель усиливает напряжение (входной и выходной сигналы - сигналы напряжения), то усиление напряжения все равно сопровождается усилением мощности. Дополнительная мощность предоставляется источником питания усилителя. Обыч-

53

и n − p − n транзисторы (рис.7.1), отличающие-

но, напряжение питания постоянное (хотя существуют усилители с переменным напряжением питания), его величина зависит от требований к усилителю, а знак определяется типами используемых активных элементов.

Биполярный транзистор как активный элемент усилителя

В простейших усилителях в качестве активных элементов используются транзисторы. Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство с двумя p − n − переходами. С помощью

соответствующих примесей в кристалле германия или кремния создают три области: между двумя областями с проводимостью одного типа, помещают слой с проводимостью другого типа. Тип проводимости определяется типом основных носителей тока – дырками ( p ) или электронами ( n ).В зависимости от чередования слоев раз-

личают p − n − p

ся в основном полярностью напряжений и направлением рабочих токов при включении в электронную схему.

Средний слой транзистора называют базовой областью или базой (Б), один из крайних − эмиттером (Э), другой − коллектором (К). Между эмиттером и базой, а также коллектором и базой образуются два p − n перехода, пропускные направления которых противо-

положны. Переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, между базой и коллектором - коллекторным.

Рис. 7.1

Транзистор всегда включают, используя два источника тока, причем каждый источник подключается к разноименным выводам. Возможны три схемы включения: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК). Каж-

54

дая из этих схем имеет свои особенности, характеристики и параметры. Как правило, одним источником тока является входной сигнал, другим – источник питания.

При включении транзистора по схеме с ОЭ эмиттер является общим электродом для входа и выхода (рис. 7.2).

Рис. 7.2

Эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный − в обратном. При этом в цепи базы протекает ток IБ в це-

пи коллектора I K , а в цепи эмиттера тoк IЭ = IK + IБ . Таким образом, ток IБ = IЭ − IK .

Так как токи IЭ и I K примерно равны, то ток IБ очень мал по
сравнению с токами IЭ	и I K , и изменения этого тока также малы,
причем IБ = IЭ − IK	( IЭ и I K − изменения токов IЭ и I K ).

Поэтому	IБ <<	IK . Действительно,
		I K	=		I K	=			I K	IЭ	.
		I Б			IЭ − I K		1		− I K
										IЭ
Так как I K	≈ IЭ и		I K ≈		IЭ , то	IK			IБ >>1.

55

IБ может

Таким образом, небольшое изменение тока базы

приводить к значительному изменению коллекторного тока I K .

Это означает, что в схеме включения транзистора с общим эмиттером достигается усиление по току.

Oтношение IK IБ = β называется коэффициентом усиления

транзистора по току. Основные характеристики транзистора в схеме ОЭ показаны на рис. 7.3.

Рис. 7.3

Входная характеристика (рис. 7.3,a) показывает зависимость тока базы IБ от напряжения UБЭ , она практически не отличается от ха-

рактеристики p − n − перехода при прямом включении. Выходная характеристика (рис. 7.3,б) показывает зависимость тока коллектора I K от напряжения U КЭ . Характеристика передачи тока (рис.

7.3,в) пoкaзывает зависимость тока коллектора I K от тока базы IБ .

Усилитель с общим эмиттером

Схема усилительного каскада с ОЭ показана на рис. 7.4. Входной сигнал напряжением U Г для усилителя вырабатывается

генератором с внутренним сопротивлением RГ .

56

Рис. 7.4

Через емкость C1 входной сигнал поступает в цепь базы транзистора. Конденсатор выбирается таким образом, чтобы фильтр высоких частот, образованный этим конденсатором и последова-

тельно соединенными с ним резисторами базы RБ1 и RБ2 , пропускал все нужные частоты. Резисторы RБ1 и RБ2 также обеспечивают постоянное напряжение на базе UБЭ , относительно которого изменяется входной сигнал. Резистор в цепи коллектора RK задает напряжение на выходе (на нагрузке) усилителя UКЭ в зависимости от

изменения тока IK : UКЭ = EИП − IK RK . Резистор RЭ вместе с емкостью CЭ образуют цепь отрицательной обратной связи и служат

для стабилизации работы транзистора и получения максимально возможного коэффициента усиления. Конденсатор C2 отсекает постоянную составляющую в сигнале на выходе усилителя.

Основные параметры усилителя

Коэффициент усиления по напряжению
K =	Uн	,	(7.1)
U	Uг

57

где Uн - выходное усиленное напряжение в нагрузке, Uг − напря-

жение на входе усилителя (иногда его называют напряжением входного генератора).

Важно, что величина KU определяется с учетом внутренних сопротивлений генератора Rг и нагрузки Rн . Как Rг и Rн влияют на величину KU ? Если Rг становится больше, то вход усилителя будет оказывать более сильное шунтирующее действие на генератор, и сигнал, приходящий на вход усилителя, станет меньше. Если Rн

уменьшается, то шунтируется выход усилителя, и меньшая часть сигнала с выхода усилителя попадает в нагрузку. Таким образом,

увеличениеRг и уменьшение Rн приводят к уменьшению KU .

Коэффициент усиления по току

KI =

Iн

.

(7.2)

Iг

Этот параметр легко пересчитывается из KU , так как IГ

=UГ RГ

и Iн =Uн Rн . Таким образом,

K

I

=

Uн

Rг

= K

Rг

.

(7.3)

R

U

г

U R

н

н

Приведенную формулу для KI рекомендуется использовать лишь

как расчетную.

Входное сопротивление усилителя

R	=	Uвх	,	(7.4)
вх		Iвх

где Uвх − напряжение непосредственно на входе усилителя (на базовом контакте), Iвх − переменный ток, потребляемый входной цепью усилителя при появлении сигнала Uвх ( Iвх не следует путать с

постоянными токами базы, которые возникают при подключении усилителя к источнику питания).

Входное сопротивление Rвх дает эквивалентный шунтирующий эффект, который оказывает вся входная цепь усилителя на предше-

58

ствующую схему (или датчик). Поэтому при большом Rвх весь сигнал U Г практически без потерь поступает на вход усилителя, а при малом RВХ эти потери будут значительны (при этом большое RВХ − это много большее чем RГ , а малое RВХ − это много меньшее чем RГ ). Ток IВХ в эксперименте можно определить по соотношению:

IВХ =	UГ −UВХ	.	(7.5)
	RГ

Выходное сопротивление усилителя

RВЫХ отражает, насколько «упорно» усилитель способен «сопротивляться» шунтирующему действию RH . Так, если RВЫХ мало по

сравнению с RH , то передача усиленного сигнала напряжения в нагрузку произойдет практически без потерь.

Высшая fB и низшая fH граничные частоты.

Граничные частоты полосы пропускания усилителя определяются по уровню 0,7 (более точно 1 2 ) от значения коэффициента усиления KU в полосе пропускания. В усилителе общего назначения существует некоторая область частот, в пределах которой величина KU не изменяется. Найдя эту величину, можно рассчитать значение: 0,7 KU . После этого необходимо уменьшать частоту входного сигнала, пока коэффициент усиления не окажется равным 0,7 KU . Зафиксированная при этом частота и будет являться низ-

шей граничной частотой. Аналогичным образом следует увеличивать частоту входного сигнала, пока коэффициент усиления опять

не уменьшится до значения 0,7 KU и зафиксировать fB . В усилителях широкого применения fH обычно бывает от нескольких десятков до нескольких сотен герц, а fB весьма сильно зависит от

требований к усилителю и может варьироваться от десятков килогерц до десятков и даже сотен мегагерц.

Амплитудный диапазон усилителя AВЫХ.МАКС .

59

Под AВЫХ.МАКС понимают наибольшую величину синусоидального

сигнала на выходе усилителя, при которой еще нет искажений формы синусоиды.

Описание лабораторного макета

Рис. 7.5

На лабораторном макете (рис. 7.5) представлен простейший усилитель на биполярном транзисторе. Сопротивления датчика имити-

руются группой резисторов RГ , сопротивления нагрузки - группой резисторов RH . Нулевая шина макета соединена с «+» источника питания, а шина EИП - с « - ». Перед началом работы через разде-

лительные конденсаторы C1 и C2 (взять самые большие значения их емкостей) подключить соответственно на вход и выход сопротивления Rг (самое малое) и Rн (самое большое). Частота генера-

тора f =1кГц.

Порядок выполнения работы

1. Снимите зависимость KU от RГ . Для этого, зафиксировав RH (самое большое) и изменяя RГ , измерьте UН и U Г по осцилло-

60