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

75672. Ефективні методи програмування задач редагування і пошуку в послідовностях. Збалансовані дерева 180.05 KB
  Закріпити знання про динамічні структури даних. Сформувати навички обробки збалансованих дерев. Сформувати уміння застосовувати АВЛ-дерева для редагування і пошуку в послідовностях.
75673. Задачі обчислювальної геометрії 264.79 KB
  Припустимо, що знайдена найменша в лексикографічному порядку точка р1 заданої множини точок. Ця точка завідомо є вершиною оболонки, і тепер треба знайти наступну за нею вершину р2 опуклої оболонки. Точка р2 - це точка, яка має найменший позитивний полярний кут відносно точки р1 як початку координат
75674. Задачі комбінаторики (перебору) 547.83 KB
  На початку виконання програми користувачу пропонується ввести кількість елементів, а потім, відповідно, вагу кожного елемента (ціле число). Усі елементи записуються я у головний масив. Для двох груп елементів створюються два нових пустих масиви.
75675. Динамічні інформаційні структури (ДІС) 467.95 KB
  Засвоїти знання про динамічні інформаційні структури. Сформувати навички опису ДІС і використання стандартних функцій при реалізації АТД ДІС засобами мови С++. Сформувати вміння застосовувати ДІС для розв’язування практичних задач.
75676. Стилистическое использование грамматических категорий глагола 268.97 KB
  Стилистическая характеристика категории времени При изучении стилистики глагола особое внимание привлекает категория времени которую характеризуют своеобразное функционирование в разных видах речевой деятельности и широкие экспрессивные возможности благодаря богатой синонимии временных форм. В сравнении с другими грамматическими категориями глагола категория времени наиболее наглядно отражает функциональностилевую специфику использования глагольных форм. В художественной речи как и в разговорной широко представлены самые различные формы...
75677. Стилистическое использование неспрягаемых форм глагола 15.82 KB
  Инфинитив Инфинитив как неспрягаемая форма глагола лишен важнейших грамматических категорий наклонения времени лица рода числа что определяет его особое положение: инфинитив не центр глагольной системы а ее окраина как образно об этом сказал В. При статистическом подсчете получены интересные данные об использовании инфинитива в книжных стилях. Важно учесть среднюю частотность инфинитивов в отношении к общему числу глаголов в этих стилях. Характерно что при наименьшем количестве глаголов деловая речь дает наибольшее количество форм...
75678. Стилистика наречия 114.56 KB
  Важной отличительной чертой наречий является их соотнесенность с другими частями речи от которых они образуются и с которыми не теряют функциональной связи. Большинство наречий образовано от качественных прилагательных от которых они унаследовали не только общность лексического значения но и стилистическую активность. Однако стилистическая инертность лексического значения подобных наречий может компенсироваться выразительностью их словообразования. Так выделяются словообразовательные модели наречий в основе которых лежит сравнение что...
75679. Стилистическая оценка вариантов управления 68.32 KB
  Стилистический интерес вызывают те варианты управления которые получают функционально-стилевое закрепление [замечания студенту замечания в адрес студента книжн. В стилистическом комментарии нуждаются архаизующиеся варианты управления: отмстить поруганную дочь П. Для носителей языка выбор нужной формы управления в таких случаях не представляет сложности но те кто изучает русский язык как неродной ошибаются в выборе предлогов и падежных форм в подобных словосочетаниях.
75680. Стилистическое использование однородных членов предложения 76.47 KB
  Особая полнота и точность перечисления однородных понятий обязательное требование к языку законов постановлений в официально-деловом стиле: Все граждане имеют равные права в семейных отношениях. Блоки однородных членов в книжных стилях строятся как правило из словоформ обозначающих однотипные понятия. В книжных стилях перечисление нередко выглядит как длинная цепочка однородных членов причем в их сочиненном ряду как правило преобладает бессоюзная связь.