42636

Дослідження базових схем підсилюваньних каскадів на біполярних транзисторах

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Re эмиттерное сопротивление Rl R2 резисторы делителя задающего режим каскада по постоянному току. Особенностью классической схемы каскада с ОБ рис. Для каскада с ОБ: Для каскада с ОЭ: Для каскада с ОК: Проектирование усилителя начинается с определения режима транзистора по постоянному току который называют статическим режимом. В зависимости от тока коллектора транзистора и величины падения напряжения на электродах транзистора усилительного каскада а также от амплитуды входного сигнала различают следующие режимы усиления: режим А;...

Украинкский

2013-10-30

299.5 KB

0 чел.

Лабораторна робота №2

Дослідження базових схем підсилюваньних каскадів

на біполярних транзисторах

Цель работы: изучение базовых схем усилительных каскадов с применением программы схемотехнического моделирования Electronics WorkBench.

Теоретическая часть

Основные схемы построения усилителей на биполярных транзисторах определяются возможными способами их включения — ОБ, ОЭ и ОК; базовые схемы усилителей со вспомогательными элементами показаны на рис.1.

Рис.1. Базовые схемы усилительных каскадов

На рис.1 обозначено: Ucc — напряжение питания, Ui — входное напряжение, Uo — выходное напряжение, Rk — сопротивление коллекторной нагрузки, С — разделительный конденсатор. Re — эмиттерное сопротивление, Rl, R2 — резисторы делителя, задающего режим каскада по постоянному току.

Особенностью классической схемы каскада с ОБ (рис.1, а) является наличие отдельного источника смещения Us, с помощью которого задается режим транзистора по постоянному току, что достаточно неудобно. Поэтому на практике используется каскад ОБ по схеме рис.1, б, в котором режим по постоянному току задается делителем на резисторах Rl, R2, а по переменному току база соединена с "землей" через блокировочный конденсатор Сb.

Базовые каскады характеризуются входным Rвх и выходным Rвых сопротивлением, коэффициентом усиления тока, и напряжения. Ниже в качестве справочной информации приводятся приближенные выражения для этих характеристик.

Для каскада с ОБ:

Для каскада с ОЭ:

Для каскада с ОК:

Проектирование усилителя начинается с определения режима транзистора по постоянному току, который называют статическим режимом.

В зависимости от тока коллектора транзистора и величины падения напряжения на электродах транзистора усилительного каскада, а также от амплитуды входного сигнала различают следующие режимы усиления: режим А; режим В; режим С; режим D и промежуточные режимы, например, АВ.

В режиме А ток в выходной цепи усилителя протекает в течение всего периода сигнала. Для иллюстрации обратимся к рис.2, на котором показан каскад по схеме с ОЭ. В схеме использованы индикаторные вольтметры для контроля напряжений на электродах транзистора в статическом режиме, а также функциональный генератор и осциллограф для моделирования режима усиления. В программе EWB для рассматриваемой схемы нельзя отключить функциональный генератор, поэтому при моделировании статического режима установим минимальную амплитуду сигнала (в нашем случае 1 мкВ).

Рис.2. Усилительный каскад по схеме с ОЭ

Для усилительного каскада класса А расчет статического режима заключается в выборе такого коллекторного тока  (его называют током покоя или током в рабочей точке), при котором падение напряжения на коллекторной нагрузке Rk, во-первых, равно падению напряжения на транзисторе (напряжение коллектор-эмиттер U„) и, во-вторых, было бы меньше амплитудного значения при максимальном входном сигнале. Первое условие применительно к схеме на рис. 2 запишется следующим образом:

(1)

где — ток покоя эмиттера, k — коэффициент усиления тока транзистора в схеме с ОЭ

Поскольку В>>1 (в рассматриваемом примере ), то , В таком случае выражение (1) записывается в виде:

откуда находим ток покоя

(2)

Рассмотрим теперь базовую цепь транзистора. Напряжение на базе относительно общей шины (с учетом того, что

(3)

где Uбэ, — напряжение база-эмиттер (для кремниевых транзисторов оно находится в пределах 0,7...0,9 В).

Поскольку Uбэ равно падению напряжения на резисторе R2, ток через него равен

Падение напряжения на резисторах R1, R2 равно напряжению питания Ucc. Поэтому для базовой цепи:

(4)

Если руководствоваться требованиями высокой термостабильности каскада (см. ниже), то необходимо выбирать

(5)

В таком случае с учетом (2) и (3) из (4) получаем выражение для ориентировочного расчета сопротивлений резисторов схемы с ОЭ:

(6)

Подставляя в формулу (6) значения сопротивлений резисторов, используемых в схеме на рис. 2, убеждаемся в справедливости этого соотношения. При этом, как следует из показаний вольтметров, падение напряжения на коллекторном сопротивлении составляет 10-5,55=4,45 В и близко к значению падения напряжения на транзисторе 5,55-0,886=4,67 В, что соответствует первому условию обеспечения режима А.

Коэффициент усиления каскада с ОЭ рассчитывается по приближенной формуле K=Rk/Re (если Re не зашунтировано емкостью). В рассматриваемом примере он равен 5. Следовательно, при амплитуде выходного напряжения 4,5 В (второе условие обеспечения режима А) на вход усилителя можно подать сигнал с амплитудой 4,5/5=0,9 В.

Рис.3. Осциллограммы входного и выходного сигналов

Осциллограммы входного и выходного сигналов показаны на рис. 3. Обращаем внимание на то, что оба канала работают в режиме АС и осциллограммы разнесены на экране с помощью смещения по вертикали (Y POS). Из осциллограмм видно, что выходной сигнал (осциллограмма А) по форме повторяет входной сигнал (осциллограмма В). Таким образом, достоинством режима класса А является минимум нелинейных искажений. Его недостатком является низкий КПД, меньший 0,5, поэтому он используется чаще всего в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.

В режиме В ток через транзистор протекает в течение примерно половины периода входного сигнала (180°). Половину этого угла, соответствующего моменту прекращения тока через активный элемент, называют углом отсечки. В идеале этот угол равен 90°. Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока при его малых значениях существенно отличается от формы тока в линейном режиме. Это вызывает значительные нелинейные искажения выходного сигнала.

Режим В обычно используют в двухтактных выходных каскадах, имеющих высокий КПД, в других каскадах его применяют сравнительно редко. Чаще выбирают промежуточный режим АВ, при котором угол отсечки несколько больше 90° и при отсутствии входного сигнала через активный элемент протекает ток, равный 5...15% от максимального тока при заданном уровне входного сигнала. Такой выбор позволяет уменьшить нелинейные искажения.

В режиме С ток через транзистор протекает в течение промежутка времени, меньше половины периода входного сигнала, т.е. при угле отсечки меньше 90°. Ток покоя в режиме С равен нулю. Его используют в мощных усилителях, в которых нагрузкой является резонансный контур (например, в выходных каскадах радиопередатчиков).

Режим D (или ключевой) — режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: или полностью заперт, или полностью открыт. Такой режим используется в ключевых схемах, о которых речь пойдет в следующей главе.

При выборе параметров рабочей точки активного элемента необходимо учитывать разброс его параметров от экземпляра к экземпляру и их зависимость от температуры (обратный ток переходов, коэффициент передачи по току), а также подверженность изменению во времени (за счет старения). Все это требует принятия специальных мер для стабилизации коэффициента усиления и других параметров усилителей.

Изменения параметров особенно опасны в первых каскадах усилителей постоянного тока, так как при гальванической межкаскадной связи и большом коэффициенте усиления это может привести к существенному изменению нулевого уровня на выходе. Поэтому в большинстве транзисторных усилителей для стабилизации положения рабочей точки вводят стабилизирующую обратную связь или используют методы температурной компенсации (в частности, введением термозависимых сопротивлений).

Для оценки влияния температуры на параметры усилительных каскадов используется коэффициент температурной нестабильности S,=p/[l+pYi,], где Yb=Re/(Re+Rb), Еь — сопротивление базового делителя (для схемы на рис. 7.2 оно равно сопротивлению параллельно включенных резисторов Rl, R2). Максимальная температурная стабильность статического режима обеспечивается при Уb=1. Следовательно, для повышения температурной стабильности желательно выполнение условия Re»Rb, т.е. она будет тем лучше, чем больше сопротивление в цепи эмиттера и чем меньше эквивалентное сопротивление делителя Rl, R2, задающего режим по постоянному току.

Для повышение температурной стабильности усилительных каскадов используют также различные способы термостабилизации.

Первый способ термостабилизации — параметрический — основан на применении термочувствительных элементов, в частности, полупроводниковых диодов (в схеме на рис.2 это может быть диод, подключенный последовательно с резистором R2). При изменении температуры окружающей среды сопротивление термозависимого элемента изменяется так, что изменение тока базы или напряжения между эмиттером и базой компенсирует изменение тока коллектора. Очевидно, что характеристика такого термоэлемента должна обладать соответствующей температурной зависимостью. А так как это сделать трудно, то для обеспечения нужных характеристик в ряде случаев параллельно термоэлементу и последовательно с ним включают специальным образом подобранные активные сопротивления. Это усложняет схему, и, кроме того, с течением времени такая компенсация нарушается.

Второй способ термостабилизации — применение отрицательной обратной связи по постоянному току, причем используют как местную, так и общую обратные связи. При местной обратной связи чаще всего применяют обратную связь по току и несколько реже — обратную связь по напряжению. В схеме на рис.2 применена обратная связь по току, сущность которой заключается в том, что делитель на резисторах R1, R2 задает потенциал базы и тем самым жестко фиксирует потенциал эмиттера. Так как этот потенциал обусловлен падением напряжения на резисторе Re, то тем самым задается ток эмиттера. При этом изменения параметров транзистора, изменяющие ток коллектора, изменяют соответствующим образом ток эмиттера и падение напряжения на резисторе Re. Это приводит к изменению разности потенциалов между базой и эмиттером. Ток базы при этом изменяется таким образом, что изменение тока коллектора будет в той или иной мере скомпенсировано.

Чем меньше эквивалентное сопротивление базового делителя, тем в меньшей степени потенциал базы зависит от изменений базового тока и тем лучше стабилизация. Но при малых сопротивлениях R1, R2 резко возрастает мощность, потребляемая от источника питания, и уменьшается входное сопротивление каскада.

Если необходимо иметь стабильный режим по постоянному току и максимальное усиление по переменному току, вводят достаточно глубокую обратную связь за счет увеличения сопротивления резистора Re, параллельно которому включается конденсатор большой емкости (конденсатор Сb на рис. 2).

В многокаскадных усилителях для стабилизации статического режима предпочтение отдается общей отрицательной обратной связи по постоянному току, охватывающей целиком весь усилитель. При этом местные обратные связи применять нецелесообразно, так как они всегда уменьшают коэффициенты усиления отдельных каскадов и снижают эффективность общей обратной связи.

Ход выполнения:

  1.  Соберем схему с ОЭ, показанную на рис. 2.

Рис.6. Схема каскада с ОЭ.

Получим осциллограммы входного и выходного сигналов и сравним их.

Рис. 7. Осциллограммы входного и выходного напряжений каскада с ОЭ.

  Как и следовало ожидать, имеется сдвиг фаз на 180° между входным и выходным сигналами, обусловленный самой схемой включения транзистора.

Рис.8. АЧХ и ФЧХ каскада с ОЭ.

  Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности. Изменение фазы на низких частотах обусловлено большим сопротивлением емкости на входе каскада для низкочастотных сигналов.

  1.  По аналогии с рис. 2 составим схему для исследования каскада с ОБ на рис. 1, б.

Рис.9. Схема каскада с ОБ.

 Исследуем осциллограммы, АЧХ и ФЧХ каскада с общей базой.

Рис. 10. Осциллограммы входного и выходного напряжений каскада с ОБ.

Рис.11. АЧХ и ФЧХ каскада с ОБ.

  Для схемы ОБ фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема ОБ вносит гораздо меньшие искажения, нежели схема ОЭ. Завал АЧХ и изменение фазы на низких частотах (рис. 11) обусловлено большим сопротивлением емкости на входе каскада для низкочастотных сигналов.

  1.  По аналогии с рис. 2 составим схему для моделирования эмиттерного повторителя. При этом примем R1=R2, сопротивление этих резисторов выберем 100 КОм из условия малого влияния на входное сопротивление каскада (влияние минимально при бесконечном сопротивлении).

Рис.12. Схема каскада с ОК.

Исследуем осциллограммы, АЧХ и ФЧХ каскада с общим коллектором.

Рис. 13. Осциллограммы входного и выходного напряжений каскада с ОК.

Рис.14. АЧХ и ФЧХ каскада с ОК.

     Схема с общим коллектором чаще называется эмиттерным повторителем. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его (рис 13, рис.14). Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

  1.  В схеме на рис.2 нейтрализуем обратную связь по току на частотах выше 1 кГц путем подключения параллельно резистору Re блокировочного конденсатора Сb.

Рис.15. Схема каскада с ОЭ с блокирующим конденсатором.

Исследуем осциллограммы, АЧХ и ФЧХ каскада с общим эмиттером с блокирующим конденсатором.

Рис. 16. Осциллограммы входного и выходного напряжений каскада с ОЭ с блокирующим конденсатором.

Рис.17. АЧХ и ФЧХ каскада с ОЭ с блокирующим конденсатором.

Рис.18. АЧХ каскада с ОЭ с блокирующим конденсатором на частоте 10 кГц.

  Завал АЧХ на низких частотах и изменение фазы обусловлены большим сопротивлением входного конденсатора на низких частотах и увеличением коэффициента усиления вследствие уменьшения сопротивления блокировочного конденсатора с повышением частоты сигнала.