Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет

Кафедра Электроакустики и ультразвуковой техники

И. Г. Сидоренко, М. М. Шевелько, С. Ю. Шевченко

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по курсу «Электроника и микропроцессорная техника»

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ТРАНЗИСТОРАХ И ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Санкт-Петербург

2011

Исследуются характеристики усилительных каскадов построенных на биполярных транзисторах, а также операционных усилителях при различных режимах включения. Даны теоретические сведения по работе электронных усилителей. Изложены методики выполнения соответствующих лабораторных работ.

Описание лабораторного стенда для исследования транзисторных усилительных каскадов

Лицевая панель лабораторного стенда, включающая его упрощенную схему и необходимые вспомогательные элементы, представлена на рис.1. Любая из исследуемых схем транзисторных усилителей может быть построена подключением к выводам транзистора соответствующих пассивных элементов с помощью переключателей S1...S6. Лабораторный стенд помимо исследуемого устройства включает в себя генератор входного сигнала и мультиметр, позволяющий измерять напряжения в контрольных точках каждого из исследуемых усилителей.

Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и ее значение. Генератор входного сигнала может формировать синусоидальный и треугольный сигналы и периодическую последовательность прямоугольных и пилообразных импульсов. Частота сигнала может дискретно изменяться с помощью соответствующих кнопок, расположенных на лицевой панели лабораторного стенда. Амплитуда сигнала дискретно регулируется с помощью соответствующего аттенюатора. В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двулучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам. При этом с помощью соответствующих кнопок управления каждый канал осциллографа может независимо подключаться к любой контрольной точке.

Управление переключателями S1...S6 также осуществляется с помощью кнопок управления, расположенных в нижней части лицевой панели стенда, путем однократного нажатия на кнопку и удержания ее в течение 0,5 сек. Текущее положение любого переключателя индицируется зажиганием соответствующего светодиода.

Необходимо отметить, что с целью обеспечения возможности наблюдения влияния инерционных свойств транзистора на соответствующие характеристики различных усилительных каскадов, при сравнительно низких частотах входного сигнала межэлектродные емкости транзистора увеличены в 1000 раз по сравнению с их реальными значениями.

Подключение двулучевого осциллографа и персональной ЭВМ к лабораторному стенду осуществляется с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда.

На рис.2 дана принципиальная схема используемого в стенде макета позволяющая реализовывать различные режимы работы транзисторного усилителя путём подключения различных элементов.

Принципиальная Схема лабораторного макета для изучения работы транзисторного усилительного каскада

Общие сведения

1.Транзистор как линейный усилитель

Биполярные транзисторы широко применяются для усиления электрических сигналов. В этом случае они работают в активном режиме, т. е. когда на переход база-эмиттер подаётся прямое напряжение, а на переход база-коллектор подаётся обратное напряжение. Для обеспечения такого состояния при усилении малых сигналов (режим линейного усиления) необходимы два источника напряжения создающие требуемые постоянные токи (токи смещения) протекающие через транзистор. На практике в большинстве случаев используют один источник напряжения (источник питания), который задаёт посредством дополнительно подключённых резисторов необходимые токи смещения. На рис.3 показана типичная схема подключения транзистора

обеспечивающая его работу в активном режиме. Здесь токи коллектора Iк и базы Iб от источника питания Еп поступают на соответствующие электроды транзистора через резисторы Rк и Rб1. Величина резистор Rб1 задаёт ток базы, ток коллектора Iк=IбB, где В - статический коэффициент усиления транзистора по току базы, ток эмиттера представляет собой сумму коллекторного и базового токов т.е Iэ= Iк+ Iб. Протекающие через резисторы токи создают на них падения напряжения и тем самым устанавливают напряжения на электродах транзистора. Таким образом, задаётся рабочая точка (постоянные токи протекающие через транзистор (токи смещения) и напряжения на электродах), которая должна находиться в области активного режима работы транзистора. Установленный в цепи эмиттера резистор Rэ обеспечивает стабилизацию рабочей точки за счёт отрицательной обратной связи по току. На практике установку и контроль рабочей точки удобно осуществлять путём измерения напряжения на эмиттере транзистора. (Поделив это напряжение на величину Rэ получим значение Iэ, которое примерно равно току коллектора Iк). Иногда базовый ток задаётся установкой напряжения на базе с помощью делителя напряжения R_б1 и R_б2.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах могут быть построены по трём схемам включения:

1) с общим эмиттером ОЭ;

2) с общим коллектором ОК;

3) с общей базой ОБ.

Принципиальные схемы этих трёх типов усилительных каскадов представлены на рис1.2абв

Как видно, в усилительном каскаде с ОЭ (рис1.2а) усиливаемый сигнал подается на базу транзистора через разделительный конденсатор С_р1, а снимается с коллектора также через разделительный конденсатор С_р2 (конденсаторы необходимы для того чтобы подключенные к каскаду цепи подающие и снимающие сигнал не повлияли на установленную рабочую точку). Эмиттер транзистора для сигнала является заземлённым посредством конденсатора С_ш (т.е. подсоединён к общей шине, относительно которой подаётся и снимается сигнал). Поэтому такой каскад и носит название «с общим эмиттером». Каскад с ОЭ обеспечивает усиление, как по току, так и по напряжению и обладает наибольшим усилением по мощности. Выходной сигнал в такой схеме будет инверсным по отношению к входному. Это включение называется основным.

В каскаде ОК (см. рис.1.2б) сигнал подаётся на базу транзистора и снимается с эмиттера. Разделительные конденсаторы здесь также необходимы для того, чтобы источник и приёмник сигнала не оказывали влияние на установленную рабочую точку. Коллектор транзистора заземлён посредством конденсатора С_ш. (Так как сигнал снимается с эмиттера, то резистор R_к в таком каскаде может отсутствовать и коллектор транзистора соединён непосредственно с шиной питания). Коэффициент передачи К_u схемы по напряжению близок к единице, в результате чего выходной сигнал U_вых по значению и фазе повторяет входной U_вх, поэтому каскад ОК называют повторителем напряжения (эмиттерный повторитель). Главным достоинством повторителя напряжения является то, что он обладает высоким входным сопротивлением R_вх и низким выходным R_вых.

В схеме c ОБ (рис1.2в) сигнал подаётся на эмиттер, а база заземляется. Усиленный по напряжению сигнал снимается с коллектора. Выходной ток I_вых приблизительно равен входному I_вх, поэтому каскад рис.1.2,в можно рассматривать как повторитель тока с коэффициентом передачи по току К_I 1. Схема ОБ обладает низким входным и высоким выходным сопротивлениями, отсутствием усиления по току, пониженным по сравнению со схемой ОЭ, усилением по мощности.

При анализе электрических цепей очень часто бывает удобным выделить фрагмент цепи, имеющий две пары зажимов. Поскольку электронные цепи очень часто связаны с обработкой или преобразованием информации, одну пару зажимов обычно называют «входными», а вторую – «выходными». На входные зажимы подаётся исходный сигнал, с выходных снимается преобразованный. Состояния входных и выходных зажимов определяются четырьмя параметрами: напряжением и током во входной (U₁, I₁) и выходной (U₂, I₂) цепях. В этой системе параметров линейный четырёхполюсник описывается системой из двух линейных уравнений, причём два из четырёх параметров состояния являются исходными, а два остальные – определяемыми. Поскольку четырёхполюсник имеет четыре параметра состояния, очевидно, что имеется шесть систем уравнений, выражающих различные пары параметров через два остальных. Коэффициенты этих шести систем уравнений получили традиционное наименование A-, B-, G–, H–, Y– и Z-параметров.

При любой схеме включения транзистор может рассматриваться как четырехполюсник. Так как токи и напряжения в транзисторе в общем случае связаны нелинейными функциональными зависимостями, поэтому четырехполюсник, эквивалентный транзистору, следует рассматривать как активный нелинейный четырехполюсник. Однако для большого класса электронных схем, таких как усилители, называемых линейными, токи и напряжения складываются из сравнительно больших постоянных составляющих определяющих рабочую точку и малых переменных составляющих представляющих сигнал и именно переменные составляющие в этих схемах представляют основной интерес. В пределах малых изменений напряжений и токов статические характеристики транзистора приблизительно являются линейными, поэтому функциональные зависимости переменных составляющих также будут линейными. Для линейных схем характерна работа транзистора в активном режиме.

Когда транзистор работает в линейном режиме, для расчетов удобнее пользоваться не характеристиками, а параметрами. Параметры широко применяются на практике также для контроля качества транзисторов. Характеристические параметры — величины, дающие связь между малыми изменениями токов и напряжений в транзисторе. Таким образом, при усилении малых сигналов для любой из схем включения (ОЭ, ОК, ОБ) транзистор может быть представлен в виде активного линейного четырёхполюсника (рис1.3), на входе которого действует напряжение U₁ и ток I₁, а на выходе напряжение U₂ и ток I₂. Направление токов I₁ и I₂ и напряжений U₁ и U₂ эквивалентного четырехполюсника выбирают так, как показано на рис.1.3 Для биполярных транзисторов чаще всего используют систему уравнений с H – параметрами:

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

- коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкание на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе на входе.

Слова холостой ход и короткое замыкание относятся к сигналам, а не к напряжениям и токам смещения, определяющим рабочую точку. Параметры транзистора зависят от выбранной рабочей точки и могут быть определены из статических характеристик или получены из соответствующей справочной литературы, но при этом всегда указывается значения напряжений и токов смещения, при которых даны эти параметры. Так как в усилительные каскады на транзисторах входят цепи смещения, то параметры четырёхполюсников описывающих такие каскады отличаются от параметров транзисторов. Например, входное сопротивление каскада с ОЭ (рис.1.2а) будет определяться не только величиной параметра h_11э, но и двумя включёнными параллельно сопротивлениями резисторов базового делителя R_б1и R_б2.

Параметры четырёхполюсника, такие как коэффициенты передачи по напряжению и току (K_U и K_I ), а также входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых могут быть вычислены из h- параметров как:

Здесь R- сопротивление нагрузки, r – сопротивление источника сигнала.