МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Филиал в г. Сызрани

Кафедра «Электротехника, информатика

и компьютерные технологии»

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

«Усилительный каскад на биполярном транзисторе»

Утверждено на заседании

кафедры ЭИКТ

от 4.03.2008 г. Пр. 6

Сызрань 2010

Лабораторная работа.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Цель занятия.

Изучить принципы построения, расчета и анализа электронных усилителей. Приобрести практические навыки в измерении основных параметров усилителей.

Краткие сведения из теории.

Принцип построения усилителей.

Усилителями называются устройства, предназначенные для увеличения мощности электрических сигналов, без искажения их формы. Увеличение мощности сигналов производится за счет энергии источников постоянного тока, питающих усилитель.

Любой электронный усилитель для переменных составляющих усиливаемого сигнала в самом, общем виде можно рассматривать, как активный четырехполюсник (рис.1), имеющий два входных (а-б) и два выходных (c-d) контакта. К входным контактам подключается источник входного усиливаемого сигнала. Источник входного сигнала по отношению к входной цепи усилителя может быть представлен либо источником напряжения, либо источником тока (рис 1.а, б).

б)

Рис. 1

На рисунке 1 источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения с э. д. с.

и внутренним сопротивлением . Со стороны выхода усилитель также может быть представлен

б

Рис. 2

л ибо в виде генератора напряжения с ЭДС и внутренним сопротивлении , либо в виде генератора тока .(Рис. 3 а, б), соответственно:

:

а) б)

Рис. 3

Выбор той или иной схемы замещения источников питания может быть сделан совершенно произвольно, однако в процессе исследования цепи может возникнуть необходимость перехода от одной схемы к другой. Для этого применяются формулы перехода от источника ЭДС к источнику тока и наоборот.

При переходе от источника ЭДС с параметрами Е, к источнику тока, применяются формулы:

: .

При переходе от источника тока с параметром , к источнику ЭДС применяются следующие формулы:

: .

Таким образом усилитель является одновременно нагрузкой для источника сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки , причем внешней нагрузкой усилится может быть не только оконечное устройство (например, динамик, обмотка электродвигателя и т. д.), но и вход последующего каскада усилителя.

Входное сопротивление усилителя в любом случае представляет собой сопротивление между входными контактами усилителя. Оно равно:

Выходное сопротивление определяется между выходными контактами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки .

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления источник сигнала может работать в режиме холостого хода ( >> ), короткого замыкания ( << ) или согласования ( ).

Аналогично режимы работы характерны и для выходной цепи.

Классификация электронных усилителей

Усилители классифицируются по различным признакам:

по типу используемого прибора, усилители делятся на ламповые, транзисторные, магнитные и параметрические;

по назначению усилители делятся на усилители напряжения, тока и мощности. Эта классификация весьма условная, так как в усилителях напряжения и тока обязательно происходит усиление сигнала по мощности, однако последнее не является для них определяющим;

по ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот различают усилители высокой частоты (УВЧ) и усилители низкой частоты (УНЧ).

Усилители высокой частоты предназначены для усиления сигналов радиочастот от сотен килогерц и выше и имеют узкую полосу пропускания. В качестве нагрузки используются колебательные контура и фильтры, поэтому их часто называют резонансными. Применяются в качестве основных каскадов усиления в радиоприемных устройствах.

Усилители низкой частоты являются широкополосными усилителями. Они работают на нагрузку, не обладающую явно выраженными резонансными свойствами и по этой причине часто называются апериодическими. Усилители низкой частоты в свою очередь по характеру решаемой задачи делятся на усилители звуковой частоты (УЗЧ), усилители постоянного тока (УПТ) и видеоусилители.

Усилители звуковой частоты предназначены для равномерного усиления сигналов звукового диапазона частот, примерно от 20 Гц до 20 кГц Они применяются во всех областях техники, связанных с записью, воспроизведением, усилением и передачей на расстояние звука (в радиотехнике, телевидении, связи и т. д.).

Усилители постоянного тока предназначены для усиления постоянных и медленно изменяющихся сигналов в диапазоне от нуля до десятков-сотен килогерц, а иногда и более. Они применяются в системах управлениях, следящих системах, измерительной технике и т. д.

Видео усилители предназначены для усиления импульсных сигналов, имеющие широкий спектр частот. Поэтому полоса пропускания их должна быть широкой – от нескольких десятков герц, до нескольких мегагерц. Видео усилители используются в последних каскадах радиолокационных и телевизионных приемников, в индикаторных устройствах и т. д.

Режимы работы биполярного транзистора.

В рабочих схемах включения транзистора на его р-п переходы подают напряжения от внешних источников. В зависимости от полярности напряжений, прикладываемых к р-п переходам, различают следующие четыре режима работы транзистора: режим отсечки, режим насыщения, активный режим и ключевой режим.

а) Режим отсечки.

Режимом отсечки называется такой режим, при котором оба р-п переходы включены (смещены) в обратном направлении (к области р - подключен отрицательный полюс источника питания; к области п – положительный полюс источника питания) Рис 4

Рис.4

При этом под действием внешних напряжений эмиттерный и коллекторный р-п переходы расширяются (потенциальный барьер для основных носителей заряда увеличивается) и их сопротивления для основных носителей увеличивается. Вследствие этого, через оба перехода р-п протекают небольшие обратные токи эмиттерного и коллекторного р-п переходов и обусловленные движением не основных носителей зарядов. В режиме отсечки транзистор находится в закрытом состоянии (заперт).

б) Режим насыщения

Режимом насыщения называется такой режим, при котором оба р–п перехода включаются (смещаются) в прямом направлении Рис5. (к области p подключаются положительный полюс источника питания, к области п – отрицательный).

Рис.5

При таком включении потенциальный барьер обоих р-п переходов уменьшается для основных носителей заряда (для неосновных - повышается).

Вследствие этого сопротивление обоих р-п переходов уменьшается. Поэтому через оба р-п перехода протекают большие прямые токи насыщения , , обусловленные инжекцией основных носителей. В результате инжекции дырок из коллектора и эмиттера в базу, в ней происходит накопление избыточных неосновных носителей заряда. Говорят, что в режиме насыщения транзистор открыт и насыщен.

в) Активный режим

Активным режимом называется такой режим, при котором один р-п переход включен в прямом направлении, а другой – в обратном.

Если в прямом направлении включен эмиттерный переход, а коллекторный - в обратном, то такой режим называют основным (нормальным) активным режимом (Рис.6):

Рис.6

Если же в прямом направлении включен коллекторный переход, а эмиттерный – в обратном, то такой режим называют активным инверсным режимом. Активный режим используется в усилителях (в основном используется нормальный активный режим), генераторах и других схемах.

г) Ключевой режим.

Ключевым называют такой режим, при котором под действием входного сигнала большой амплитуды транзистор переключается из режима отсечки в режим насыщения и наоборот.