Усилительный каскад с общим коллектором.
Лабораторная работа №4
Исследование усилителя напряжения.
Цель:
1. Ознакомиться с принципом действия усилительного каскада с общим коллектором (эмиттерным повторителем).
2. Определить коэффициент усиления по напряжению.
3.Оценить влияние сопротивления нагрузки на коэффициент усиления по току.
4. Получить практические навыки компьютерного моделирования электронных схем.
Краткие сведения из теории.
Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разнообразием. Вместе с тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же, он показан на примере структурной схемы на рис. 1а.
Рис. 1. Принцип построения (а) и временные диаграммы (б) усилительного каскада.
Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный (полевой) транзистор и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал Uвх, принятый на рис. 1а) для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал Uвых снимается с выхода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротивления УЭ и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием, входного напряжения. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону, задаваемому входным сигналом.
|
|
|
Ввиду использования для питания источника постоянного напряжения Е ток i в выходной цепи каскада является однонаправленным (рис. 1а). При этом переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входного сигнала) следует рассматривать как переменные составляющие суммарных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие I П и U П (рис. 1б). Связь между постоянными и переменными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных составляющих, т. е. I П ≥ I m и U П ≥ U m. Если эти условия не будут выполняться, ток i в выходной цепи на отдельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы выходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I П и напряжения U П. Задачу решают путем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения U ВХП (или задания соответствующего постоянного входного тока I ВХП). Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя по входной цепи (I ВХП, U ВХП) и по выходной цепи (I П, U П) характеризуют электрическое состояние схемы в отсутствие входного сигнала.
|
|
|
Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. Анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится для трех способов включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).
Усилительный каскад с общим эмиттером.
Схема усилителя с общим эмиттером представлена рис. 2.
Рис. 2. Схема усилительного каскада с общим эмиттером.
Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОЭ приближенно равен отношению сопротивления в цепи коллектора rк сопротивлению в цепи эмиттера r э:
KU =rк /rэ,
где r к - сопротивление в цепи коллектора, которое определяется параллельным соединением сопротивления коллектора Rк и сопротивления нагрузки R Н.
rк = Rк Rн /(Rк +Rн );
r э - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, равное 25мВ/I Э. Для усилителя с сопротивлением R э в цепи эмиттера коэффициент усиления равен:
KU =rк / (rэ +Rэ ).
Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения U вх и входного тока I вх
|
|
|
rвх= U вх/ I вх.
Входное сопротивление транзистора ri определяется по формуле: ri =β r э.
Входное сопротивление усилителя по переменному току r вх вычисляется как параллельное соединение сопротивлений ri, R1 и R2:
1/r вх= 1/R1+1/R2+1/ri.
Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжению Uxx холостого хода на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивлении нагрузки, превышающем 200 кОм, и по напряжению Uвых, измеренному для данного сопротивления нагрузки R H, из следующего уравнения, решаемого относительно r вых:
Uвх/Uxx = RH /( RH + rвых).
Сопротивление RH 200 кОм можно считать разрывом в цепи нагрузки.
Усилительный каскад с общим коллектором.
Схема усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема усилительного каскада с общим коллектором.
Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОК определяется из следующего выражения:
K u = rэ/(rэ+Rэ).
Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим кол-лектором приближенно равен единице, поскольку Rэ обычно мало по сравнению с сопротивлением rэ. Из-за этого свойства каскад ОК называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление усилителя r вх по переменному то-ку определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения Uвх и входного тока Iвх:
|
|
|
rвх = uвх/iвх.
Входное сопротивление эмиттерного повторителя по переменному току определяется следующим выражением: riэ = β(rэ + Rэ). В данном случае для определения входного сопротивления каскада нужно принять во внимание сопротивление резисторов R1 и R2. С учетом сказанного получим:
1/Rвх= 1/R1 + 1/R2 + 1/riэ
При расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, включаемой параллельно сопротивлению эмиттера Rэ. Из выражений для входного сопротивления видно, что эмиттерный повторитель обладает высоким входным сопротивлением по сравнению с каскадом с ОЭ. В общем случае выходное сопротивление эмиттерного повторителя в βAC+1 раз меньше сопротивления Rист источника сигнала на входе эмиттерного повторителя:
rвых = Rист/( βАС +1)+ rэ.
Если сопротивление Rист источника сигнала на входе эмиттерного повторителя пренебрежимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно дифференциальному сопротивлению перехода база-эмиттер: rвых = rэ.
В случае, когда сопротивление Rист на входе очень велико (сравнимо с βACRэ), сопротивление Rэ должно быть учтено как включенное параллельно найденному выходному сопротивлению эмиттерного повторителя.
Экспериментально выходное сопротивление каскада можно определить по результатам двух измерений: измерения напряжения холостого хода Uxx (на выход каскада подключается сопротивление порядка 200 кОм и измеряется падение напряжения на нем) и измерения выходного напряжения Uвых при наличии нагрузки сопротивлением Rн. После измерений выходное сопротивление можно подсчитать по формуле:
rвых = RH /(Uxx - Uвых)/Uвых.
Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлениям каскад с общим коллектором очень часто используют в качестве согласующего между источником и нагрузкой.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 69; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!