5.3. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка описана в разд.1.3 (с.6,7). Элементы транзисторного усилительного каскада расположены на сменной плате (см.разд.2.3 , с.13). В данной работе используется транзистор МП37А (VT) n-p-n - типа. Входной сигнал подается через разделительный конденсатор С1 (гнездо Л3). Делитель собран из резисторов R1, R2 (гнезда Л4,Л5) и потенциометра R3, с помощью которого устанавливается необходимая величина напряжения смещения. Выходной усиленный по мощности сигнал снимается с гнезда П5 через разделительный конденсатор С4. Положение электродов транзистора отмечено на плате буквенными индексами.

5.4. Порядок выполнения работы

1. Собрать схему транзисторного каскада (см. рис.5.4). Источник питания Е _к= 12В собрать, соединив последовательно два источника питания по 6В. В

качестве R _к = 1кОм и R _н= 1,5кОм используйте регулируемые сопротивления

36

на стенде.Вольтметры V1 и V3 - вольтметры переменного тока, V2 - вольтметр постоянного тока, Г - измерительный генератор, N - осциллограф. В качестве V1 используйте милливольтметр В3-38 или В3-55, в качестве V3 используйте В3-38, В3-55 или В7-26 в режиме измерения переменного напряжения, V2 -В7-26 или комбинированный прибор Щ43-13 в режиме измерения постоянного напряжения.

2. Установите рабочую точку покоя исходя из условия получения максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала в нагруженном режиме. Для этого в соответствии с выражением (5.11) рассчитайте напряжение U_кэп. Отключите генератор Г и потенциометром R3, расположенным на сменной плате, установите рассчитанное значение U_кэп. Напряжение контролируйте по вольтметру V2.

3. Снимите амплитудную характеристику (АХ) усилителя на частоте 1кГц и определите его динамический диапазон. Зарисуйте характерную форму выходного сигнала при работе усилителя в линейном и нелинейном режимах усиления.

4. Снимите амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя. Величина входного сигнала должна примерно соответствовать середине его динамического диапазона. При снятии логарифмической АЧХ рекомендуется ряд значений частот, приведенных в п.1.4, с.7.

5. Измерьте модуль входного сопротивления усилителя. Измерения проводите при частоте входного сигнала 1кГц и уровне, соответствующем приблизительно середине динамического диапазона. Методика измерения сопротивления приведена в п.4.4.4, с.27-28. В качестве R_доб используйте реактивное сопротивление конденсатора С1. Входной сигнал подавайте последовательно на гнезда Л3 и Л6.

6. Используя формулу (5.2), рассчитайте коэффициент усиления по напряжению для условий эксперимента. Коэффициент передачи тока базы h₂₁возьмите в пределах 15 - 30 в соответствии с параметрами транзистора МП37А, приводимых в справочнике [2].

5.5. Содержание отчета о работе

1. Цель работы и краткие теоретические сведения.

2. Принципиальная электрическая схема усилительного каскада с элементами измерений его параметров.

3. Результаты измерений в виде таблиц данных и графики АХ и АЧХ.

4. Результаты измерения входного сопротивления.

5. Сравнительные данные по измерению и расчету коэффициента усиления по напряжению.

37

5.6. Контрольные вопросы

1. Почему транзистор можно использовать в качестве усилительного элемента ?

2. Каково назначение элементов схемы транзисторного каскада, представленного на рис.5.4 ?

3. Что такое статический и динамический режимы работы каскада ?

4. Что будет, если точку покоя выбрать так, что U _кэп= E _к ?

5. Чем обусловлен спад АЧХ на низких частотах ?

6. Корректно ли измерять входное и выходное сопротивление при выключенном питании усилителя ? Если нет, то почему ?

5.7. Библиографический список

1. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. -М.: Высшая школа, 1991. -621с.

2. Полупроводниковые приборы. Транзисторы : Справочник / Под. ред. Горюнова Н. Н. - М. : Энергоатомиздат, 1985. - 872 с.

3. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. - СПб. : Корона принт, 1998. - 400 с.

4. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника . - М. : “Горячая Линия-Телеком”, 2000. - 768 с.

38

Лабораторная работа № 6

ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

6.1. Цель работы

Изучение устройства и принципов работы электронных генераторов электрических колебаний на полупроводниковых ( п/п ) активных элементах.

6.2. Краткие теоретические сведения

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока заданной частоты и формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают: генераторы гармонических(синусоидальных) колебаний игенераторы негармонических колебаний(импульсные или релаксационные генераторы). Кроме формы и частоты генераторы также различаются по выходной мощности, типу используемого активного элемента , виду частотно-избирательной цепи обратной связи .

Генераторы могут работать в двух режимах: режиме автоколебаний и ждущем режиме. В первом случае колебания возникают сразу в момент включения источника питания. Такие генераторы получили название автогенераторов. Во втором случае для возникновения колебаний на вход генератора необходимо подать специальный запускающий импульс.

В принципе генератор можно получить, охватив электронный усилитель с коэффициентом усиления K_uцепью положительной обратной связи с коэффициентом передачи напряжениясм. рис. 6.1 ). Вследствие различных нестационарных процессов (например заряд и разряд емкостей, переходные процессы в активных элементах и т. д.) в схеме возникают электрические колебания.

Напряжение, снимаемое с выхода звена обратной связи и подаваемое на вход усилителя

U_ос=U_вх=U_вых , (6.1)

напряжение на выходе генератора

U_вых =K_u U_ос , (6.2)

или, с учетом выражения (6.1),

U_вых = K_uU_вых , (6.3)

39

Рис. 6.1. Обобщенная структурная схема генератора

Очевидно, что установившиеся колебания будут существовать в схеме при условии, что

K_u =1 , (6.4)

Если K_u< 1, то колебания будут затухать, а если K_u> 1, то они будут непрерывно возрастать.

Условие (6.4) можно записать следующим образом :

K_uexpj_k _= 1 ,(6.5)

Процесс самовозбуждения генератора, описываемый выражением (6.5), можно представить в следующем виде :

 K_u =1 , (6.6)

 _k _= 2n (где n = 0, 1, 2...) . (6.7)

Выражение (6.6) получило название баланса амплитуд, а выражение (6.7) -баланса фаз. Первое - означает, что потери, вносимые звеном обратной связи, должны компенсироваться усилителем, а второе - указывает на необходимую величину фазового сдвига в замкнутой цепи.

На рис. 6.2 представлена схема генератора гармонических колебаний, которая получила название генератор Колпитцапо фамилии её создателя, илиемкостная трёхточка, как чаще принято в отечественной литературе. Времязадающим звеном данной схемы является колебательный LC - контур,

40

состоящий из индуктивности L и емкостного делителя C1-C2.

Рис. 6.2. Схема генератора Колпитца (емкостная трёхточка)

Точка А контура подключена к выходу генератора (коллектор транзистораVT), а точка С - к его входу (база транзистора). Таким образом имеет место цепь обратной связи. Транзистор в генераторе включен по схеме ОЭ, которая, как известно, вносит фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами 180 ^о. Для выполнения условия баланса фаз средняя точка между конденсаторами В подсоединяется к общей шине, и за счет этого в сигнал обратной связи вносится дополнительный фазовый сдвиг 180^о(обратите внимание на знак заряда обкладок конденсаторов). Условие баланса амплитуд выполняется за счет усилительных свойств транзистора. Схема генерирует колебания синусоидальной формы с периодом

, (6.8)

Среди генераторов релаксационных колебаний наибольшее распространение получила схема мультивибратора, которая генерирует импульсы практически прямоугольной формы. Рассмотрим устройство и принцип работы мультивибратора в автоколебательном режиме. Для этого необходимо обратиться к схеме мультивибратора и эпюрам напряжений, которые представлены на рис.6.3 и 6.4, соответственно.

41

Рис. 6.3. Схема мультивибратора

Мультивибратор представляет собой два усилительных каскада (плеча), у которых выход одного связан с входом другого посредством R_бС цепочек. В том случае, если оба плеча мультивибратора собраны из однотипных элементов, то его называют симметричным, в противном случае - несимметричным. Допустим, что оба плеча мультивибратора одинаковы. Подключим схему к источнику питания E_k ( полярность соответствует транзисторам p-n-p структуры ). В первый момент токи и напряжения в схеме окажутся одинаковыми:

i_k1= i_k2 ; U_бэ1 = U_бэ2; U_кэ1 = U_кэ2; U_с1 = U_с2 ,

Однако такое состояние не может быть устойчивым, так как в схеме всегда имеются дестабилизирующие факторы. Допустим, например, что вследствие неравномерности диффузии дырок в базу ток коллектора транзистора VT1 i_k1 несколько увеличился по сравнению с током i_k2 . Это означает, что потенциал коллектора VT1 станет по отношению к “земле” несколько менее отрицательным (u_кэ1 = -E_к +i_к1R_к1) , или иначе он получит небольшое положительное приращение. Этот скачок напряжения через конденсатор C1, который не успевает зарядиться за столь малое время, передается на базу VT2 и несколько подзапирает его. Коллекторный ток i_к2 начинает уменьшаться, уменьшая потенциал коллектора. Этот отрицательный скачок напряжения через C2 подается на базу VT1, дополнительно открывая его и увеличивая ток i_к

42

Процесс носит скачкообразный характер. Он происходит в течение десятых долей микросекунды и приводит к тому, что транзистор VT1 оказывается насыщен (открыт), а транзистор VT2 заперт. Для того чтобы лучше понять , что происходит в схеме дальше, обратимся к эпюрам напряжений, представленных на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Эпюры напряжений на базах и коллекторах транзисторов

мультивибратора

Начальному моменту (t₀ ) соответствует следующее состояние:

U_бэ10 U_кэ1 0 (VT1- насыщен),

 U_бэ20 U_кэ1  0 (VT2- заперт).

Конденсатор C1 заряжен до напряжения E _к в предыдущем цикле с полярностью, как это указано на рис. 6.3 . Поскольку VT1 насыщен, то это напряжение приложено между базой и эмиттером VT2. По причине насыщения VT1, а также из-за того, что конденсатор C2 разряжен, в

43

начальный момент напряжение на коллекторе VT2 близко к нулю. До момента t₁ в схеме протекают сравнительно медленные процессы. Конденсатор C2 заряжается по следующей цепи: + E_к (“земля”)открытый эмиттерный переход VT1C2R_к2 - E_к с постоянной времени_ф R_к2С₂до напряженияE_к. По мере того, как конденсатор заряжается, напряжение U_к2также постепенно достигает указанного напряжения. В это время конденсатор C1 разряжается по цепи: + E_к (“земля”)открытый транзистор VT1C1R_б2 - E_к с постоянной времени tR _б C . В момент времени t₁напряжение на базе VT2 достигает 0 уровня и он мгновенно отпирается. Положительное (по отношению к базе) напряжение конденсатора C2 оказывается приложенным к VT1 и он запирается. Далее процессы повторяются, и мультивибратор устойчиво генерирует близкие к прямоугольной форме импульсы с амплитудойE _к и длительностью

t_иR _б C , (6.9)