200101_jeimpt_lr_2012

коэффициент усиления по напряжению.

5.Измерение выходного сопротивления усилителей.

6.Анализ влияния нагрузки усилителя на коэффициент усиления по напряжению.

7.Исследование влияния разделительного конденсатора на усиление переменной составляющей сигнала.

8.Анализ влияния сопротивления резистора RЭ в цепи эмиттера на коэффициент усиления по напряжению.

8.2 Приборы и элементы

Функциональный генератор – группа Instruments Осциллограф – группа Instruments Боде-плоттер – группа Instruments

Источники постоянного напряжения – группа Sources Биполярный транзистор 2N3904 – группа Transistors

Конденсаторы – группа Basic Резисторы – группа Basic Ключ – группа Basic

8.3 Краткие сведения из теории

Коэффициент усиления по напряжению усилителя в общем случае определяется отношением амплитуд выходного синусоидального сигнала к входному сигналу [5]:

KU UВЫХ UВХ .

(8.1)

Усилитель переменного напряжения с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером, приведен на рис. 8.1.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОЭ приближенно равен отношению сопротивления в цепи коллектора rК и сопротивления в цепи эмиттера rЭ [6]:

KU rК rЭ ,

(8.2)

где rК – сопротивление в цепи коллектора, которое определяется параллельным соединением сопротивления коллектора RК и сопротивления нагрузки RH, (не показанном на рис. 8.1), чью роль может играть, например следующий усилительный каскад:

111

rК RК RН RК RН ,

(8.3)

где rЭ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, равное rЭ=5мВ/IЭ.

Рисунок 8.1 – Схема усилителя переменного напряжения с общим эмиттером

Для усилителя с сопротивлением RЭ в цепи эмиттера коэффициент усиления равен:

КU rК rЭ RЭ .

(8.4)

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения uВХ и входного тока iВХ:

rВХ uВХ iВХ .

(8.5)

Входное сопротивление транзистора ri определяется по формуле:

ri rЭ .

(8.6)

Входное сопротивление усилителя по переменному току rВХ вычисляется как параллельное соединение сопротивлений ri, R1 и R2:

112

1		1		1		1	.	(8.7)
rВХ		R1		R2		ri

Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжению uХХ холостого хода на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивлении нагрузки, превышающем 200 кОм, и по напряжению uВЫХ, измеренному для данного сопротивления нагрузки RН, из следующего уравнения, решаемого относительно rВЫХ:

	uВЫХ				RН	.	(8.8)
	u	ХХ		R	r
				Н	ВЫХ

Сопротивление RH 200 кОм можно считать разрывом в цепи нагрузки.

Схема усилителя переменного напряжения с общим коллектором представлена на рис. 8.2.

Рисунок 8.2 – Схема усилителя переменного напряжения с общим коллектором

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОК определяется из следующего выражения:

	КU	RЭ	.	(8.9)
		rЭ RЭ

113

Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим коллектором приближенно равен 1, поскольку rЭ обычно мало по сравнению с сопротивлением RЭ. Из-за этого свойства каскад называют эмиттерным повторителем.

Входное сопротивление усилителя rВХ по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения uВХ и входного тока iВХ:

rВХ uВХ iВХ .	(8.10)
Входное сопротивление транзистора в схеме эмиттерного повтори-
теля по переменному току определяется следующим	выраже-
нием [7]:
riЭ rЭ RЭ .	(8.11)

В данном случае для определения входного сопротивления каскада необходимо принять во внимание сопротивление резисторов R1 и R2. С учетом сказанного получим:

1		1		1		1	.	(8.12)
rВХ .Э		R1		R2		riЭ

Также при расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, которая включается параллельно сопротивлению эмиттера

rЭ.

Из выражений для входного сопротивления видно, что эмиттерный повторитель обладает более высоким входным сопротивлением по сравнению с каскадом с ОЭ.

Вобщем случае выходное сопротивление эмиттерного повторителя

вАС+1 раз меньше сопротивления RИСТ источника сигнала на входе эмиттерного повторителя:

r		RИСТ		r		RИСТ	r .	(8.13)
ВЫХ		АС 1		Э			Э
						АС

Если сопротивление RИСТ источника сигнала на входе эмиттерного повторителя пренебрежимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно дифференциальному сопротивлению перехода база-эмиттер:

114

ВЫХ .

rВЫХ rЭ .

(8.14)

В случае, когда сопротивление RИСТ источника сигнала на входе очень велико (сравнимо с АСRЭ), сопротивление RЭ должно быть учтено как включенное параллельно найденному выходному сопротивлению эмиттерного повторителя.

Экспериментально выходное сопротивление каскада можно определить по результатам двух измерений: измерению напряжения холостого хода UХХ (на выход каскада подключается сопротивление порядка 200 кОм и измеряется падение напряжения на нем) и измерению выходного напряжения UВЫХ при наличии нагрузки с сопротивлением RН [17]. После измерений выходное сопротивление можно подсчитать по формуле:

rВЫХ RН U ХХ U (8.15) UВЫХ

Благодаря достаточно высокому входному и низкому выходному сопротивлениям каскад с общим коллектором очень часто используют в качестве согласующего между источником сигнала и нагрузкой.

8.4 Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование каскада с общим эмиттером в режиме малого сигнала

а) Измерение амплитуд напряжений, фазовых сдвигов сигналов, граничной частоты и вычисление коэффициента усиления каскада

Создать схему, изображенную на рис. 8.3. Установочные параметры приборов должны соответствовать изображению, представленному на рисунке.

Включить схему. Для установившегося режима (завершены переходные процессы после включения схемы) в раздел «Содержание отчета» записать результаты измерений амплитуд входного и выходного напряжений.

Определить по фазочастотной характеристике (ФЧХ) сдвиг фаз между входным и выходным синусоидальными сигналами усилителя на частоте 1 кГц, для чего необходимо использовать Боде-плоттера в режиме «Phase» – получение ФЧХ.

115

Рисунок 8.3 – Схема для исследования каскада с общим эмиттером в режиме малого сигнала

Определить по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) нижнюю граничную частоту усилителя. Для этого необходимо использовать Боде-плоттер в режиме «Magnitude» – получение АЧХ. По результатам измерений амплитуд входного и выходного синусоидальных напряжений, вычислить коэффициент усиления каскада по напряжению. В разделе «Содержание отчета» привести принципиальную

116

схему исследуемого каскада, его АЧХ, ФЧХ и записать результат расчета коэффициента усиления.

б) Расчет тока эмиттера и параметров каскада

Используя значения параметров компонентов исследуемой схемы, приведенной на рис. 8.3, вычислить ток IЭ эмиттера (UБЭО 0,7 В). По его значению вычислить дифференциальное сопротивление rЭ эмиттерного перехода. Используя найденное значение, вычислить коэффициент усиления каскада по напряжению. Расчетные соотношения и полученные результаты записать в раздел «Содержание отчета».

в) Определение коэффициента усиления при подключении дополнительного резистора на вход каскада

Подключить резистор RD между точкой UIN и конденсатором С1, разомкнув ключ S1, который управляется клавишей [Space] клавиатуры компьютера. Включить схему. Измерить амплитуды входного uВХ и выходного uВЫХ напряжения. Вычислить новое значение коэффициента усиления по напряжению по результатам измерений. Результаты измерений и расчета записать в раздел «Содержание отчета».

г) Определение входного сопротивления каскада по переменному току

Переместить щуп канала «А» осциллографа в узел Ub. Снова включить схему и измерить амплитуду uБ входного синусоидального напряжения в точке Ub. По результатам измерения напряжения uБ и uВЫХ вычислить коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада. По результатам измерения амплитуд напряжения uВХ, uБ, используя параметры элементов схемы усилителя, вычислить входной ток iВХ. По значениям uВХ и iВХ вычислить входное сопротивление rВХ усилителя по переменному току. Результаты измерений и использованные расчетные соотношения записать в раздел «Содержание отчета».

д) Расчет входного сопротивления каскада по переменному току

По значению коэффициента передачи тока , полученному в разделе «Эксперимент 1» лабораторной работы № 6, и величине дифференциального сопротивления rЭ эмиттерного перехода вычислить входное сопротивление транзистора ri. Вычислить значение входного сопротивления усилительного каскада rВХ, используя значения сопротивлений R1, R2 и ri. Расчетные формулы и полученные результаты записать в раздел «Содержание отчета».

е) Определение коэффициента усиления каскада при уменьшении сопротивления нагрузки

117

Закоротить резистор RD, установленный между узлом UIN и конденсатором С1, замкнув ключ S1, управляемый клавишей [Space]. Переместить щуп канала «А» осциллографа в узел UIN. Установить номинал резистора RL равным 2 кОм. Затем включить схему и измерить амплитуды входного и выходного синусоидального напряжения. Используя результаты измерений, вычислить новое значение коэффициента усиления по напряжению. Результаты записать в раздел «Содержание отчета».

ж) Расчет выходного сопротивления каскада

Используя результаты измерений амплитуды выходного синусоидального напряжения, полученные в пункте а) и пункте е), значение сопротивления нагрузки, выставленное в пункте е), вычислить выходное сопротивление усилителя. Использованные расчетные формулы и полученные результаты записать в раздел «Содержание отчета».

з) Измерение постоянной составляющей выходного сигнала каскада

Установить номинал резистора RL, являющегося нагрузкой усилительного каскада, равным 200 кОм. Переставить щуп канала «В» осциллографа в узел UC и включить схему. Измерить постоянную составляющую выходного напряжения и записать результат измерения в раздел «Содержание отчета».

и) Определение коэффициента усиления каскада с резистором в цепи эмиттера в отсутствии шунтирующего конденсатора

Вернуть щуп канала «В» осциллографа в узел UOUT. На осциллографе установить масштаб напряжений входа канала «А» равным 10 мВ/дел. Разорвать соединение шунтирующего конденсатора С3 с точкой Ue и включить схему. Измерить амплитуды входного и выходного синусоидального напряжения. После проведения всех измерений восстановить соединение конденсатора С3 с эмиттером транзистора в точке Ue. По результатам измерений вычислить значение коэффициента усиления каскада с ОЭ с сопротивлением в цепи эмиттера по

напряжению. Записать результаты в	раздел	«Содержание
отчета».
к) Вычисление коэффициента усиления	каскада	с резистором

в цепи эмиттера в отсутствии шунтирующего конденсатора

По величине дифференциального сопротивления эмиттера rЭ, использованного при выполнении в пункте б) и значению сопротивления RЭ, вычислить значение коэффициента усиления каскада с ОЭ с сопротивлением в цепи эмиттера по напряжению. Использованные

118

расчетные соотношения и полученные результаты записать в раздел «Содержание отчета».

Эксперимент 2. Исследование каскада с общим коллектором в режиме малого сигнала

а) Измерение амплитуд напряжений, фазовых сдвигов сигналов и вычисление коэффициента усиления каскада

Создать схему, изображенную на рис. 8.4. Установочные параметры приборов должны соответствовать изображению, представленному на рисунке.

Включить схему. Для установившегося режима (завершены переходные процессы после включения схемы) в раздел «Содержание отчета» записать результаты измерений амплитуд входного и выходного напряжений. Определить по фазочастотной характеристике (ФЧХ) разности фаз входного и выходного синусоидальных сигналов усилителя, для чего необходимо использовать Боде-плоттер в режиме «Phase» – получение ФЧХ. Определить по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) нижнюю граничную частоту усилителя. Для этого необходимо использовать Боде-плоттер в режиме «Magnitude» – получение АЧХ. По результатам измерений амплитуд входного и выходного синусоидальных напряжений, вычислить коэффициент усиления каскада по напряжению. В разделе «Содержание отчета» привести принципиальную схему исследуемого каскада, его АЧХ, ФЧХ и записать результат расчета коэффициента усиления.

б) Расчет тока эмиттера и параметров каскада

Используя значения параметров компонентов исследуемой схемы, приведенной на рис. 8.4, вычислить ток IЭ эмиттера (UБЭО 0,7 В). По его значению вычислить дифференциальное сопротивление rЭ эмиттерного перехода. Используя найденное значение, вычислить коэффициент усиления каскада по напряжению. Расчетные соотношения и полученные результаты записать в раздел «Содержание отчета».

в) Определение коэффициента усиления при подключении дополнительного резистора на вход каскада

Подключить резистор RD между точкой UIN и конденсатором С1, разомкнув ключ S1, который управляется клавишей [Space] клавиатуры компьютера. Включить схему. Измерить амплитуды входного uВХ и выходного uВЫХ напряжения. Вычислить новое значение коэффициента усиления по напряжению по результатам измерений. Результаты измерений и расчета записать в раздел «Содержание отчета».

119

г) Определение входного сопротивления каскада по переменному току

Переместить щуп канала «А» осциллографа в узел Ub. Снова включить схему и измерить амплитуду uБ входного синусоидального напряжения в точке Ub. По результатам измерения напряжения uБ и uВЫХ вычислить коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада. По результатам измерения амплитуд напряжения uВХ и uБ вычислить входной ток iВХ. По значениям uВХ и iВХ вычислить входное сопротивление rВХ усилителя по переменному току.

Рисунок 8.4 – Схема исследования каскада с общим коллектором в режиме малого сигнала

Результаты измерений и использованные расчетные соотношения записать в раздел «Содержание отчета».

120