36966

Дослідження базових схем підсілюваньніх каскадів на біполярніх транзисторах

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Re емітерний опір Rl R2 резистори дільника що задає режим каскаду по постійному струму. Особливістю класичної схеми каскаду з СБ рис. Залежно від струму колектора транзистора і величини падіння напруги на електродах транзистора усилительного каскаду а також від амплітуди вхідного сигналу розрізняють наступні режими підсилення: режим А; режим В; режим С; режим D і проміжні режими наприклад АВ. Підсилювальний каскад по схемі з СЕ Для підсилювального каскаду класу А розрахунок статичного режиму полягає у виборі такого колекторного...

Украинкский

2013-09-23

284 KB

7 чел.

Лабораторна робота № 2

Дослідження базових схем підсілюваньніх каскадів на біполярніх транзисторах

 Мета роботи: вивчення базових схем підсилювальних каскадів із застосуванням програми схемотехнічного моделювання Electronics WorkBench.

Теоретична частина

Основні схеми побудови підсилювачів на біполярних транзисторах визначаються можливими способами їх включення - СБ, СЕ і СК ; базові схеми підсилювачів з допоміжними елементами показані на рис.1.

 

Рис.1. Базові схеми підсилювальних каскадів

На рис.1 позначено: Ucc - напруга живлення, Ui - вхідна напруга, Uo - вихідна напруга, Rk - опір колекторної навантаження, С - розділовий конденсатор. Re - емітерний опір, Rl, R2 - резистори дільника, що задає режим каскаду по постійному струму.

Особливістю класичної схеми каскаду з СБ (рис.1, а) є наявність окремого джерела зсуву Us, за допомогою якого задається режим транзистора по постійному струмі, що досить незручно. Тому на практиці використовується каскад СБ за схемою рис.1, б, в якому режим по постійному току задається подільником на резисторах Rl, R2, а по змінному струму база з'єднана з "землею" через блокувальний конденсатор СB.

Базові каскади характеризуються вхідним Rвх і вихідним Rвих опором, коефіцієнтом посилення струму, і напруження.

Проектування підсилювача починається з визначення режиму транзистора по постійному струму, який називають статичним режимом.

Залежно від струму колектора транзистора і величини падіння напруги на електродах транзистора усилительного каскаду, а також від амплітуди вхідного сигналу розрізняють наступні режими підсилення: режим А; режим В; режим С; режим D і проміжні режими, наприклад, АВ.

У режимі А струм у вихідному колі підсилювача протікає протягом усього періоду сигналу. Для ілюстрації звернемося до рис.2, на якому зображений каскад по схемі з СЕ. У схемі використані індикаторні вольтметри для контролю напруг на електродах транзистора в статичному режимі, а також функціональний генератор і осцилограф для моделювання режиму посилення. У програмі EWB для даної схеми не можна відключити функціональний генератор, тому при моделюванні статичного режиму встановимо мінімальну амплітуду сигналу (у нашому випадку 1 мкВ).

 Рис.2. Підсилювальний каскад по схемі з СЕ

Для підсилювального каскаду класу А розрахунок статичного режиму полягає у виборі такого колекторного струму (його називають струмом спокою або струмом в робочій точці), при якому падіння напруги на колекторному навантаженні Rk, по-перше, так само падіння напруги на транзисторі (напруга колектор-емітер U ") і, по-друге, було б менше амплітудного значення при максимальному вхідному сигналі. Перша умова стосовно до схеми на рис. 2 запишеться наступним чином:

  (1)

де - струм спокою емітера, k - коефіцієнт підсилення струму транзистора в схемі з СЕ

Оскільки В>> 1 (у розглянутому прикладі), то, В такому випадку вираз (1) записується у вигляді:

 

звідки знаходимо струм спокою

(2)

Розглянемо тепер базову ланцюг транзистора. Напруга на базі щодо загальної шини (з урахуванням того, що

(3)

де Uбе, - напруга база-емітер (для кремнієвих транзисторів воно знаходиться в межах 0,7 ... 0,9 В).

Оскільки Uбе одно падіння напруги на резисторі R2, струм через нього дорівнює

 

 Падіння напруги на резисторах R1, R2 дорівнює напрузі живлення Ucc. Тому для базової ланцюга:

(4)

Якщо керуватися вимогами високої термостабільності каскаду (див. нижче), то необхідно вибирати

(5)

У такому випадку з урахуванням (2) і (3) з (4) отримуємо вираз для орієнтовного розрахунку опорів резисторів схеми з СЕ:

(6)

Підставляючи в формулу (6) значення опорів резисторів, використовуваних у схемі на рис. 2, переконуємося у справедливості цього співвідношення. При цьому, як випливає зі свідчень вольтметрів, падіння напруги на колекторному опорі становить 10-5,55 = 4,45 В і близько до значення падіння напруги на транзисторі 5,55-0,886 = 4,67 В, що відповідає першій умові забезпечення режиму А.

Коефіцієнт посилення каскаду з ОЕ розраховується за наближеною формулою K = Rk / Re (якщо Re не зашунтірован ємністю). У даному прикладі він дорівнює 5. Отже, при амплітуді вихідної напруги 4,5 В (друга умова забезпечення режиму А) на вхід підсилювача можна подати сигнал з амплітудою 4,5 / 5 = 0,9 В.

 

Рис.3. Осцилограми вхідного і вихідного сигналів

Осцилограми вхідного і вихідного сигналів показані на рис. 3. Звертаємо увагу на те, що обидва канали працюють в режимі АС і осцилограми рознесені на екрані за допомогою зсуву по вертикалі (Y POS). З осцилограм видно, що вихідний сигнал (осцилограма А) за формою повторює вхідний сигнал (осцилограма В). Таким чином, гідністю режиму класу А є мінімум нелінійних спотворень. Його недоліком є ​​низький ККД, менший 0,5, тому він використовується найчастіше в каскадах попереднього підсилення, а також у малопотужних вихідних каскадах.

У режимі У струм через транзистор протікає протягом приблизно половини періоду вхідного сигналу (180 °). Половину цього кута, відповідного моменту припинення струму через активний елемент, називають кутом відсічення. В ідеалі цей кут дорівнює 90 °. Через нелінійності початкових ділянок характеристик транзисторів форма вихідного струму при його малих значеннях істотно відрізняється від форми струму в лінійному режимі. Це викликає значні нелінійні спотворення вихідного сигналу.

Режим В зазвичай використовують в двотактних вихідних каскадах, мають високий ККД, в інших каскадах його застосовують порівняно рідко. Найчастіше вибирають проміжний режим АВ, при якому кут відсічення дещо більше 90 ° і при відсутності вхідного сигналу через активний елемент протікає струм, що дорівнює 5 ... 15% від максимального струму при заданому рівні вхідного сигналу. Такий вибір дозволяє зменшити нелінійні спотворення.

У режимі З струм через транзистор протікає протягом проміжку часу, менше половини періоду вхідного сигналу, тобто при куті відсічення менше 90 °. Струм спокою в режимі З дорівнює нулю. Його використовують у потужних підсилювачах, в яких навантаженням є резонансний контур (наприклад, у вихідних каскадах радіопередавачів).

Режим D (або ключової) - режим, при якому транзистор знаходиться тільки в двох станах: або повністю замкнено, або повністю відкритий. Такий режим використовується в ключових схемах, про які йтиметься в наступному розділі.

При виборі параметрів робочої точки активного елемента необхідно враховувати розкид його параметрів від екземпляра до екземпляра і їх залежність від температури (зворотний струм переходів, коефіцієнт передачі по струму), а також схильність зміни в часі (за рахунок старіння). Все це вимагає прийняття спеціальних заходів для стабілізації коефіцієнта підсилення та інших параметрів підсилювачів.

Зміни параметрів особливо небезпечні в перших каскадах підсилювачів постійного струму, тому що при гальванічної межкаскадной зв'язку і великому коефіцієнті посилення це може привести до істотної зміни нульового рівня на виході. Тому в більшості транзисторних підсилювачів для стабілізації положення робочої точки вводять стабілізуючу зворотний зв'язок або використовують методи температурної компенсації (зокрема, введенням термозавісімих опорів).

Для оцінки впливу температури на параметри підсилювальних каскадів використовується коефіцієнт температурної нестабільності S, = p / [l + pYi,], де Yb = Re / (Re + Rb), Еь - опір базового дільника (для схеми на рис. 7.2 воно дорівнює опору паралельно включених резисторів Rl, R2). Максимальна температурна стабільність статичного режиму забезпечується при Уb = 1. Отже, для підвищення температурної стабільності бажано виконання умови Re »Rb, тобто вона буде тим краще, чим більше опір в ланцюзі емітера і чим менше еквівалентний опір дільника Rl, R2, що задає режим по постійному току.

Для підвищення температурної стабільності підсилювальних каскадів використовують також різні способи термостабілізації.

Перший спосіб термостабілізації - параметричний - заснований на застосуванні термочутливих елементів, зокрема, напівпровідникових діодів (у схемі на рис.2 це може бути діод, підключений послідовно з резистором R2). При зміні температури навколишнього середовища опір термозавісімого елемента змінюється так, що зміна струму бази або напруги між емітером і базою компенсує зміна струму колектора. Очевидно, що характеристика такого термоелемента повинна володіти відповідною температурною залежністю. А так як це зробити важко, то для забезпечення потрібних характеристик у ряді випадків паралельно термоелементів і послідовно з ним включають спеціальним чином підібрані активні опори. Це ускладнює схему, і, крім того, з плином часу така компенсація порушується.

Другий спосіб термостабілізації - застосування негативного зворотного зв'язку по постійному струму, причому використовують як місцеву, так і загальну зворотні зв'язки. При місцевій зворотного зв'язку найчастіше застосовують зворотний зв'язок по струму і дещо рідше - зворотний зв'язок по напрузі. У схемі на рис.2 застосована зворотній зв'язок по струму, сутність якої полягає в тому, що дільник на резисторах R1, R2 задає потенціал бази і тим самим жорстко фіксує потенціал емітера. Так як цей потенціал обумовлений падінням напруги на резисторі Re, то тим самим задається струм емітера. При цьому зміни параметрів транзистора, що змінюють струм колектора, змінюють відповідним чином струм емітера і падіння напруги на резисторі Re. Це призводить до зміни різниці потенціалів між базою і емітером. Струм бази при цьому змінюється таким чином, що зміна струму колектора буде в тій чи іншій мірі скомпенсировано.

Чим менше еквівалентний опір базового дільника, тим меншою мірою потенціал бази залежить від змін базового струму і тим краще стабілізація. Але при малих опорах R1, R2 різко зростає потужність, споживана від джерела живлення, і зменшується вхідний опір каскаду.

Якщо необхідно мати стабільний режим по постійному струму і максимальне посилення по змінному струмі, вводять досить глибоку зворотний зв'язок за рахунок збільшення опору резистора Re, паралельно якому включається конденсатор великої ємності (конденсатор СB на рис. 2).

У багатокаскадних підсилювачах для стабілізації статичного режиму перевага віддається загальної негативного зворотного зв'язку по постійному струму, що охоплює цілком весь підсилювач. При цьому місцеві зворотні зв'язки застосовувати недоцільно, тому що вони завжди зменшують коефіцієнти посилення окремих каскадів і знижують ефективність загальної зворотного зв'язку.

Хід виконання:

1. Зберемо схему з СЕ, показану на рис. 2.

 

Рис.6. Схема каскаду з СЕ.

Отримаємо осцилограми вхідного і вихідного сигналів і порівняємо їх.

 

Рис. 7. Осцилограми вхідного і вихідного напруг каскаду з СЕ.

  Як і слід було сподіватися, є зрушення фаз на 180 ° між вхідним і вихідним сигналами, обумовлений самій схемою включення транзистора.

Рис.8. АЧХ і ФЧХ каскаду з СЕ.

  Схема із загальним емітером є найбільш поширеною, оскільки дає найбільше посилення по потужності. Зміна фази на низьких частотах обумовлено великим опором ємності на вході каскаду для низькочастотних сигналів.

1. За аналогією з рис. 2 складе схему для дослідження каскаду з СБ на рис. 1, б.

 

Рис.9. Схема каскаду з СБ.

 Досліджуємо осцилограми, АЧХ і ФЧХ каскаду із загальною базою.

 

Рис. 10. Осцилограми вхідного і вихідного напруг каскаду з СБ.

 Рис.11. АЧХ і ФЧХ каскаду з СБ.

  Для схеми СБ фазовий зсув між вхідним і вихідним напругою відсутній, тобто фаза напруги при посиленні не перевертається. Крім того, при посиленні схема СБ вносить набагато менші спотворення, ніж схема СЕ. Завал АЧХ і зміна фази на низьких частотах (рис. 11) обумовлено великим опором ємності на вході каскаду для низькочастотних сигналів.

1. За аналогією з рис. 2 складе схему для моделювання емітерного повторювача. При цьому приймемо R1 = R2, опір цих резисторів виберемо 100 кому з умови малого впливу на вхідний опір каскаду (вплив мінімально при нескінченному опорі).

 Рис.12. Схема каскаду з СК.

Досліджуємо осцилограми, АЧХ і ФЧХ каскаду з загальним колектором.

 

Рис. 13. Осцилограми вхідного і вихідного напруг каскаду з СК.

 Рис.14. АЧХ і ФЧХ каскаду з СК.

     Схема із загальним колектором частіше називається емітерний повторювачем. Особливість цієї схеми в тому, що вхідна напруга повністю передається назад на вхід, тобто дуже сильна негативний зворотний зв'язок. Коефіцієнт посилення по струму майже такий же, як і в схемі СЕ. Коефіцієнт посилення по напрузі наближається до одиниці, але завжди менше її. У схемі СК фазовий зсув між вхідним і вихідним напругою відсутній. Оскільки коефіцієнт посилення по напрузі близький до одиниці, вихідна напруга по фазі і амплітуді збігається з вхідним, тобто повторює його (рис 13, рис.14). Саме тому така схема називається емітерний повторювачем. Емітерним - тому, що вихідна напруга знімається з емітера відносно загального проводу.

2. У схемі на рис.2 нейтралізуємо зворотний зв'язок по струму на частотах вище 1 кГц шляхом підключення паралельно резистору Re блокувального конденсатора СB.

 Рис.15. Схема каскаду з СЕ з блокуючим конденсатором.

Досліджуємо осцилограми, АЧХ і ФЧХ каскаду з загальним емітером з блокуючим конденсатором.

 

Рис. 16. Осцилограми вхідного і вихідного напруг каскаду з СЕ з блокуючим конденсатором.

Рис.17. АЧХ і ФЧХ каскаду з СЕ з блокуючим конденсатором.

Рис.18. АЧХ каскаду з СЕ з блокуючим конденсатором на частоті 10 кГц.

  Завал АЧХ на низьких частотах і зміна фази обумовлені великим опором вхідного конденсатора на низьких частотах і збільшенням коефіцієнта посилення внаслідок зменшення опору блокувального конденсатора з підвищенням частоти сигналу.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21619. Организация данных на листе 433 KB
  Даны рекомендации по размещению таблиц на листах. Описаны возможные действия с листами книги и особенности их выполнения. Согласно определению список это набор строк листа содержащий однородные данные; первая строка в этом списке содержит заголовки столбцов остальные строки содержат однотипные данные в каждом столбце.
21620. Оформление таблиц в Excel 345 KB
  Для ячеек в которых установлено выравнивание по левому краю отступы задаются от левого края ячейки. Для ячеек в которых установлено выравнивание по правому краю и отступы задаются от правого края. Для выравнивания по ширине необходимо выполнить команду Формат Ячейки или щелкнуть по выделенной области правой кнопкой мыши и выполнить команду контекстного меню Формат ячеек. Во вкладке Выравнивание диалогового окна Формат ячеек рис.
21621. Печать документов Предварительный просмотр листа 442.5 KB
  К сожалению не дает достаточного представления и режим просмотра Разметка страницы. Если выделено несколько рабочих листов то при нажатии кнопки Далее по достижении последней страницы текущего листа отображается первая страница следующего выделенного листа. Если выделено несколько рабочих листов то при нажатии кнопки Назад по достижении первой страницы текущего листа отображается последняя страница предыдущего выделенного листа. Перейти из полностраничного режима просмотра в режим увеличения и обратно можно также щелкнув мышью в любой...
21622. Просмотр документов в MS Excel 487 KB
  Показаны приемы перемещения по ячейкам листа и между листами книги. Показаны возможности скрытия и отображения столбцов и строк листа одновременного просмотра различных частей листа. Указаны способы выделения фрагментов листа. Просмотр документа Изменение режима просмотра листа Для изменения режима просмотра листа используют команды меню Вид.
21623. Редактирование документов в MS Word 612.5 KB
  Показаны возможности поиска и замены текста использования синонимов. Работа с текстом Выбор языка Выбор языка текста определяет возможность автоматической проверки правописания и расстановку переносов. При вводе текста в русской раскладке устанавливается русский язык при вводе текста в английской раскладке английский США.
21624. Оформление текста документа Word 606 KB
  Описаны основные характеристики шрифта размер гарнитура цвет начертание подчеркивание и способы их установки. Основы оформления текста документа Для оформления документа используют панель инструментов Форматирование и команды меню Формат рис. Рис. Панель инструментов и меню используемые для оформления документа Установка основных параметров шрифта Шрифт Шрифт определяет внешний вид символов текста рис.
21625. Расширенные возможности оформления текста документов Word 715.5 KB
  Для оформления документа используют панели инструментов Форматирование Таблицы и границы и команды меню Формат рис. контур отображение внутренней и внешней границы каждого знака. Использование смещения символов Установка границ Обрамление абзацев и текста Для выделения частей документа оформления заголовков и в некоторых других случаях применяются различные рамки границы. При обрамлении удобно воспользоваться панелью инструментов Таблицы и границы рис.
21626. Создание списка в Word 538 KB
  Оформление нумерованных списков При оформлении нумерованных списков следует иметь в виду что элементом списка может быть только абзац. Для создания простейшего нумерованного списка надо выделить нумеруемые абзацы и нажать кнопку Нумерованный список по умолчанию панели инструментов Форматирование рис. Создание простейшего нумерованного списка Для оформления нумерованного списка выполните команду Формат Список или команду Список контекстного меню.
21627. Создание и оформление таблиц в Word 1.13 MB
  Представлены способы создания таблиц добавления и удаления столбцов и строк таблицы. Общие сведения о таблицах Таблицы в документах Microsoft Word используют большей частью для упорядочивания и представления данных. В таблицах можно производить вычисления таблицы можно использовать для создания бланков документов. Для работы с таблицами используют команды меню Таблица элементы панелей инструментов Стандартная Форматирование Таблицы и границы и Базы данных рис.