Работа № 4. УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР В ШИРОКОПОЛОСНОМ УСИЛИТЕЛЬНОМ КАСКАДЕ С RC-СВЯЗЯМИ

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

Цель работы - установить связь между параметрами униполярного транзистора и других деталей схемы и параметрами ШУ, изучить способы расширения полосы пропускания ШУ. Продолжительность работы — 3, 5 часа.

Теоретическая часть

На рис. 15 приведена принципиальная схема усилительного каскада с RC – связями на униполярном транзисторе. Конденсаторы C_p₁ и C_p₂разделяют каскады по постоянному току, резистор R_з обеспечивает утечку тока в цели затвора.

При анализе работы усилителей на первом этапе рассматривают работу схемы на постоянном токе, т.е. определяют положение рабочей точки транзистора ( I_c, U_си, U_зи), а также токи и напряжения для остальных ветвей схемы. Это часто и наиболее просто осуществляется графо-аналитическим методом, предполагающим построение нагрузочной прямой

I_c = (E_c – U_си)/R_c

и динамической стоко-затворной характеристики транзистора при R_c = const, на которых намечают положение рабочей точки. В свою очередь, нагрузочная прямая и динамическая стоко-затворная характеристика предварительно строятся на семействах статических стоковых при и стоко-затворных при характеристик. На рис. 16 приведен примерный вид таких характеристик для униполярного транзистора.

От положения рабочей точки транзистора усилительного каскада, зависят параметры транзистора, а следовательно, и параметры усилителя, такие, например, как коэффициент усиления по напряжению , допустимая величина входного напряжения , превышение которой ведёт к искажению выходного сигнала, коэффициент полезного действия и т.д. При заданных и изменить положение рабочей точки транзистора можно только за счет изменения напряжения источника (см. рис. 15).

Рис. 16. Статические вольтамперные характеристики униполярного транзистора: а) стоковые, б) стоко-затворные.

Рабочая точка транзистора обычно выбирается близко к середине линейного участка динамической стоко-затворной характеристики (класс А). При этом будет обеспечена наибольшая величина допустимого входного напряжения при двуполярном (в частном случае синусоидальном) входном сигнале.

При анализе работы схем на униполярных транзисторах по переменному току используется малосигнальная эквивалентная схема транзистора, изображенная на рис. 17а. Здесь — внутреннее дифференциальное сопротивление транзистора (сопротивление канала), — крутизна стоко-затворной характеристики в рабочей точке, и — межэлектродные емкости транзистора, называемые соответственно входной, проходной и выходной. Эту схему можно преобразовать в эквивалентную ей (рис. 17б), в которой фигурирует входная динамическая емкость транзистора , определяемая соотношением:

где K — коэффициент усиления каскада по напряжению. На рис. 17в-д показаны эквивалентные схемы усилительного каскада отдельно для средних, высоких и низких частот. На средних частотах, когда реактивные компоненты схемы можно не учитывать, нетрудно получить формулу для коэффициента усиления по напряжению . Учитывая, что в большинстве случаев и , .

На высоких частотах нельзя пренебрегать ёмкостями, шунтирующими нагрузку. К ним относятся: выходная ёмкость рассматриваемого каскада, входная динамическая ёмкость транзистора следующего каскада (или ёмкость нагрузки) и паразитная монтажная ёмкость. Эти ёмкости включены между собой параллельно, поэтому в эквивалентной схеме рис. 17г ёмкость равна их сумме.

Постоянная ёмкость перезаряда ёмкости равна: . Соответственно высшая граничная частота полосы пропускания усилителя определяется как . Расширить полосу пропускания усилителя в условиях, когда уже заданы и тип транзистора, можно только за счёт уменьшения . Однако при этом уменьшается .

На низких частотах становится заметным сопротивление разделительного конденсатора . Постоянная времени перезаряда , как видно из эквивалентной схемы рис. 17д, равна , и если в качестве выступает последующего каскада, то , и тогда . Низшая граничная частота полосы пропускания связана с следующим образом: . Поэтому для расширения полосы пропускания усилителя в сторону низших частот нужно увеличивать и .

Амплитудные характеристики усилителя , по которым определяют и , обычно снимаются на средней или близкой к ней частоте. На этой частоте сдвиг по фазе между выходным и входным сигналами отсутствует, а влиянием реактивных компонентов на работу схемы можно пренебречь.

При усилении импульсных сигналов усилитель с ограниченной полосой пропускания (в пределах ) искажает их форму.

Если подать на вход усилителя идеальный прямоугольный импульс, то на выходе получится сигнал с длительностью фронта и относительным спадом вершины , где — абсолютный спад вершины импульса, а и — соответственно амплитуда и длительность выходного импульса.

Одним из путей расширения полосы пропускания усилителя, а следовательно, уменьшения искажений усиливаемых импульсных сигналов является дополнение усилителя специальными корректирующими цепями. Такие цепи представлены на принципиальной схеме усилителя рис. 18а. Здесь R_ф и C_ф обеспечивают улучшение низкочастотных свойств усилителя, а L_к — высокочастотных. Действие этих цепей основано на увеличении сопротивления нагрузки в выходной (стоковой) цепи транзистора на тех частотах, где в некорректированном усилителе наблюдался спад усиления.

В области низких частот эквивалентную схему выходной цепи усилителя можно представить как на рис. 18б. Она построена (с целью упрощения анализа) в предположении, что и значительно больше . Из рассмотрения этой эквивалентной схемы вытекает, что выходное напряжение, определяемое формулой

не будет зависеть от частоты, если обеспечить равенство произведений и . Если же допустить, что , то с уменьшением частоты будет наблюдаться не спад, а рост выходного напряжения (перекоррекция). Усилитель будет недокорректирован, когда .

Добавление дросселя (элемент высокочастотной коррекции в стоковой цепи транзистора) позволяет получить в выходной цепи усилителя параллельный колебательный контур (рис. 18в), резонирующий на частоте , которая выбирается возле верхней граничной частоты некорректированного усилителя. Поскольку на резонансной частоте и возле нее сопротивление параллельного резонансного контура, близкое к , где оказывается больше модуля сопротивления , стоящего в выходной цепи транзистора у некорректированного усилителя , то и выходное напряжение корректированного усилителя возле больше). Для получения наилучшей формы переходной, амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик добротность колебательного контура выбирается небольшой, т. е. чтобы коэффициент коррекции находился в пределах 0.322...0.414.

Описание макета

Исследуемая схема представлена на рис. 19. Схема позволяет выполнять следующие эксперименты:

- снимать статические и динамические стоко-затворные характеристики транзистора с целью правильного выбора положения рабочей точки транзистора. При этом изменяется напряжение источника и регистрируется ток стока с помощью миллиамперметра ;

- изменять сопротивления резисторов и емкости конденсаторов в выходной цепи транзистора с помощью переключателей, расположенных на передней панели макета;

- связывать специальные клеммы, к которым подключены регистрирующие приборы (милливольтметр и осциллограф) с любой контрольной точкой схемы с помощью специальных клавиш.

Исследование работы усилителя проводить при , равное 10 В. В макете установлен маломощный транзистор КП103М с параметрами:

S ³ 1,3 мА/В; U_n_ср= 4,0 В; C_зи = 20 пФ; C_зс = 8 пФ;

P_макс = 120 мВт.

Остальные детали имеют следующие параметры:

R1 = 1,00 кОм	R2 = 1 кОм	R3 = 2 кОм
R4 = 100 кОм	R5 = 910 кОм	R6 = 100 кОм
C1 = 2200 пФ	C2 = 20 мкФ	C3 = 0,1 мкФ
C4 = 750 пФ	C5 = 4700 пФ	C6 = 1200 пФ
C7 = 300 пФ	L_к = 5500 мкГн

Задание

Подготовить к работе генератор стандартных сигналов, милливольтметр переменного тока, осциллограф и генератор прямоугольных импульсов. Ознакомившись с назначением органов управления лабораторной установки и присоединив к ней измерительные приборы, подключить установку к сети.

1. Снять и построить семейство статических выходных характеристик транзистора I_c = f ₁ ( U_c _и ) при U _зи = const и стоко-затворную характеристику I_c = f ₂ ( U _зи ) при U _си = const (10в). В ходе данного эксперимента R_c должно быть отключено, напряжение U _си ( G ₂ ) изменять от 0 до 10 в., U _зи ( G ₁ ) задавать от 0 до 4в. Примерный вид характеристик униполярного транзистора приведен на рис.16.

2. На семействе выходных характеристик построить нагрузочную характеристику (Е_с=10в, R_c =2кОм) и выбрать рабочую точку (А) транзистора, обеспечивающую наибольшую допустимую величину U _вх _max , при которой усилитель класса А будет работать с большим коэффициентом усиления без искажений.

3. Для выбранной рабочей точки А определить через малые приращения статические параметры транзистора: крутизну и внутреннее сопротивление .

4. Определить ожидаемое значение коэффициента усиления по напряжению K_U0 » S(R_i‖R_c‖R_H) » SR_c.

5. Собрать схему усилителя R_c = R _з ; Е_с=10в; Е_см= U _зиА . Проверить соответствие реальных значений I _с _A и U _си _A значениям на графиках.

6. Исследовать работу усилительного каскада. Снять зависимость U _вых = j ( U _вх ₎ и определить экспериментальное значение K_u₀. U _вх задавать от генератора ГСС (от 20 мв до U _вх = U _зиА , f₀ = 10кГц), С_р2=С₅.

7. Экспериментально определить максимальное значение U _вх , при котором отсутствуют нелинейные искажения U _вых , наблюдаемые на осциллографе. Частота входного сигнала поддерживается постоянной и равной f₀ = 10кГц.

8. Экспериментально определить нижнюю и верхнюю граничные частоты усилителя для различных сочетаний емкостей: С₅, С₄; С₅, С₇; С₆, С₄;С₆, С₇. Напряжение на выходе ГСС поддерживать неизменным на всех частотах и равным 100 мв. Значения частот f_нгр и f_вгр фиксировать в те моменты, при которых U _вых уменьшается до 0,7U _вых0 на средней частоте f₀ = 10кГц.

Контрольные вопросы

1. Чем различаются между собой статические и динамические ВАХ униполярного транзистора?

2. Каковы источники НЧ и ВЧ искажений в усилителе?

3. Как расширить полосу пропускания усилителя?

4. Какие детали определяют коэффициент усиления по напряжению усилителя и его динамический диапазон?

5. Какова связь между граничными частотами полосы пропускания усилителя и искажениями формы прямоугольного импульса, усиливаемого им?

Литература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.: Высшая школа, 2004. — С. 279-290.

2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Горячая Линия–Телеком, 2000. — С. 138-142.

3. Электротехника и электроника. Книга 3. Электрические измерения и основы электроники. / Под ред. В.Г.Герасимова. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — С. 210-215.

Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 39; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!