Главная | Обратная связь

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОКАСКАДНОГО

ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

 

Цель работы: изучение принципа действия усилителя синусоидальных сигналов, назначение основных элементов схемы, исследование частотной и амплитудной характеристик усилителя, оценка влияния обратной связи по напряжению на эти характеристики.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Транзисторным усилителем называется устройство, предназначенное для усиления слабого входного электрического сигнала (напряжения, тока) в более мощный выходной сигнал за счет использования энергии источника питания. Усилители широко используются в системах связи, автоматики и промышленной электроники.

Основной частью усилителя (рис. 8.1) является полупроводниковый триод – транзистор. Транзистор – это полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами, который служит для усиления или переключения сигналов.

Усилители подразделяются на усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные усилители состоят из одного или нескольких каскадов усиления. Для каскадов предварительного усиления наибольшее применение получили схемы с резистивно-емкостной связью. В зависимости от способа подачи входного сигнала и схемы включения транзистора различают усилительные каскады с общим эмиттером (ОЭ), общей базой и общим коллектором. Наиболее распространенной является схема каскада с ОЭ, так как она обеспечивает наибольшее усиление сигнала по мощности.

В усилительном каскаде с ОЭ эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей (рис. 8.1), а резистор R_к, с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора. Полярность источника питания Е_к зависит от типа транзистора. Для транзистора типа p-n-p полярность транзистора должна быть противоположной, указанной на рис. 8.1.

По второму закону Кирхгофа для коллекторной цепи можно записать уравнение: E_к = U_к +R_кI_к, где U_к и I_к – напряжение и ток на сопротивлении коллекторной цепи. Вольтамперная характеристика резистора R_к является линейной, выходная вольтамперная характеристика транзистора I_к(U_к) представляет собой нелинейные коллекторные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ . Расчет такой нелинейной цепи, т.е. определение I_к, U_Rк, U_к для различных значений токов базы I_б и сопротивлений резистора R_к, можно провести графически. Для этого на семействе коллекторных (выходных) характеристик (рис. 8.2) по двум точкам: U_к=E_к при I_к=0 на оси абсцисс и I_к=Е_к/R_к при U_к=0 по оси ординат строится нагрузочная прямая. Точки пересечения ее с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения для данного сопротивления R_к и различных значений тока базы I_б. По этим точкам можно определить коллекторный ток I_к, а также напряжения U_Rк и U_к. С помощью этой прямой можно построить динамическую входную характеристику (рис. 8.3) – зависимость I_б = f(U_б) при включенном в коллекторную цепь
резисторе R_к.

Отличие динамической входной характеристики от статической заключается в том, что статическую характеристику I_б = f(U_б) определяют при условии U_к=const, которое не выполняется для динамической характеристики, так как разным значениям тока базы соответствуют различные значения тока коллектора, а следовательно и напряжения U_к.

Однако входные характеристики для разных значений коллекторного напряжения отличаются незначительно, поэтому в качестве динамической используют обычно или усредненную статическую входную характеристику, или характеристику при значении U_к, при котором положение входной характеристики транзистора уже не изменяется. На рис. 8.3 приведена динамическая входная характеристика транзистора при напряжении коллектора U_к=0,2-10 В.

Сопротивление резистора R_К выбирают, исходя из требуемого усиления входного сигнала и из того, чтобы линия нагрузки проходила левее и ниже предельно допустимых для данного транзистора значений U_кmax , I_кmax , P_кmax и обеспечивала достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики. P_кmax – максимально-допустимая мощность рассеяния транзистора. При выполнении этих условий транзистор работает в области допустимых значений напряжения, тока и мощности и может усиливать без искажения сигналы в необходимом диапазоне изменения их величин. Сопротивления резисторов R_к в каскадах с ОЭ имеют величину от сотен Ом до нескольких кОм.

На рис. 8.4 изображены временные диаграммы напряжений и токов в усилителе. Диаграммы (рис. 8.4) характеризуют режим покоя транзистора, режим при котором входной сигнал отсутствует. Временные диаграммы (рис. 8.4) показывают изменение во времени входного и выходного напряжений, тока базы и коллекторного напряжения.

Резисторы R₁ и R₂ представляют собой делитель напряжения и задают статический режим работы. Благодаря этим резисторам можно получить оптимальные значения тока базы I_б0 и напряжения между базой и эмиттером U_б0, соответствующие середине линейного участка динамической входной характеристики. Конденсаторы С_р1 и С_р2 отделяют соответственно источник входного сигнала и нагрузку усилителя от постоянной составляющей тока источника питания усилителя.

При подаче на вход транзистора переменного напряжения U_б ток базы будет изменяться в соответствии с динамической характеристикой, то есть кроме постоянной составляющей I_б0 он будет иметь переменную составляющую i_б. Перенося изменения тока i_К на линию нагрузки, можно проследить за изменениями коллекторного напряжения и напряжения на резисторе R_к. Переменная составляющая коллекторного напряжения представляет собой выходное напряжение усилителя, которое равно по величине и противоположно по фазе переменной составляющей падения напряжения на резисторе R_к: u_вых= - R_к i_к. Для входного напряжения справедливо соотношение u_вх = R_вх i_б. Благодаря тому, что коллекторный ток во много раз превышает ток базы, а сопротивление R_к больше R_вх, выходное напряжение усилителя с ОЭ во много раз больше входного напряжения. Если изменения входного напряжения, тока базы и тока коллектора укладываются в линейные участки переходной и динамической входной характеристик, то форма выходного напряжения будет соответствовать форме входного напряжения. В частности, при подаче на вход усилителя синусоидального напряжения на выходе напряжение будет так же синусоидальным.

Важнейшей характеристикой усилителя является коэффициент усиления по напряжению, равный отношению амплитудных значений входного и выходного напряжений:

К_U=U_выхm/U_вхm.

Если входное и выходное напряжения синусоидальны то коэффициент усиления определяется по действующим значениям входного и выходного напряжений:

К_U=U_вых/U_вх.

При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за пределы линейных участков переходной и динамической входной характеристик, в результате чего форма кривой выходного напряжения искажается. Эти искажения, обусловленные нелинейностью указанных характеристик, называются нелинейными.

Для оценки диапазона изменений входных напряжений, усиливаемых без искажений, используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного значения входного напряжения (рис. 8.5).

Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, причем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех U_п, создаваемых самим усилителем. Отношение U_{вых max} к U_{вх max} называют динамическим диапазоном усилителя:

D= U_{вых max}/ U_{вых min}.

Коэффициент усиления усилителей на транзисторах вследствие существования сосредоточенных индуктивностей и емкостей отдельных элементов его электрических цепей зависит от частоты f усиливаемых колебаний, это приводит к изменению формы их кривой и появлению ис

Рис.6

Рис.5

кажений. О величине искажений судят по частотной характеристике усилителя К=φ(f) (рис. 8.6), представляющей собой зависимость коэффициента усиления от частоты при неизменном входном сигнале.

Рабочий диапазон частот усилителя определяют его нижней f_н и верхней f_в граничными частотами, величины которых зависят от назначения усилителя. Граничные частоты (верхняя f_в и нижняя f_н) – частоты, на которых коэффициент усиления усилителя К уменьшается в раз по сравнению с его значениями на средних частотах. В пределах рабочего диапазона частот коэффициент усиления К на данной частоте не должен изменяться относительно его среднего значения К_ср, соответствующего диапазону средних частот, более чем на величину ΔК, зависящую от назначения усилителя.

Важными характеристиками усилителя, имеющего на выходе нагрузочный резистор R_н, является его выходная мощность и коэффициент полезного действия:

Р_н = U_вых I _вых = I²_вых R_н = U²_вых/R_н, ή = Р_н/Р₁,

где Р₁ – мощность, потребляемая усилителем от источника.

Для повышения стабильности работы и уменьшения нелинейных искажений используется отрицательная обратная связь (ООС). Для этого часть выходного сигнала подается обратно на вход. Вследствие этого уменьшается коэффициент усиления, который становится равным

К_ос = К/( 1+βК ),

где К_ос – коэффициент усиления с обратной связью; К – коэффициент усиления без обратной связи; β – коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи.

Несмотря на снижение коэффициента усиления, ООС широко используют в усилителях. В результате введения ООС повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов, снижается уровень нелинейных искажений, увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивление усилителя.