УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Лабораторная работа 7

Исследование УНЧ в NI Multisim 12

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Получение навыков расчета УНЧ и исследование характеристик усилительного каскада напряжения на биполярном транзисторе, вклю­ченного по схеме с общим  эмиттером.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

НАЗНАЧЕНИЕ И ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Электронный усилитель – устройство, увеличивающее мощность (напряжение, ток) входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посредством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).

На рис. 7.1, а представлена структурная схема включения усилителя в цепь усиления электрического сигнала, где 1 - источник вход­­ного сигнала; 2 - усилитель; 3 - источник энергии; 4 - нагрузка. В качестве источников питания усилителя используют стабильные источники энергии постоянного тока. Источник входного сигнала (датчик) формирует изменяющееся во времени напряжение u _вх (ток i _вх) различной амплитуды, частоты и формы. Нагрузка уси­лителя – устройство, которое можно представить в виде линейного пассивного двухполюсника. Сам усилитель с парой входных и парой выходных зажимов иногда представляют в виде нелинейного четырехполюсника вследствие нелинейности характеристик вхо­­­дящих в него элементов.

Условное обозначение усилителей на схемах изображено на рис. 7.1, б. Напряжение входа u _вх и напряжение выхода u _вых измеряют относительно общего вывода. При упрощенном изображении усилителя в виде прямоугольника, на нем изображают только вход и выход (рис. 7.1, в), опуская выводы напряжения питания U_n и общий вывод.

Важнейшим параметром усилителя является коэффициент усиления по мощности, равный отношению изменения мощности выходного сигнала к изменению мощности входного сигнала, т. е.  По­ми­мо коэффициента усиления по мощности вводят также коэффициент усиления по напряжению  и коэффициент усиления по току  Тогда коэффициент

Важнейшими характеристиками усилителя являются амплитудная и ча­стотные. Амплитудная характеристика (рис. 7.2, а) – это зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного напряжения от амплитуды (или действу­ющего значения) входного синусоидального напряжения, т. е. , где

Пун­ктиром показана амплитудная характеристика идеального усилителя. Отклонение реальной характеристики от идеальной объясняется на­личием шумов и нелинейностями характеристик усилительных элементов при сла­­­­­бых и больших входных сигналах.

Динамическим диапазоном усилителя в децибелах называют отношение максимального значения входного напряжения к минимальному на линей­ном участке ab амплитудной характеристики (см. рис. 7.2, а):

.

Коэффициент усиления по напряжению на этом участке

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя – это зависимость коэффициента усиления, например, по напряжению K_u от частоты f входного сигнала, т. е. K_u(f) при .

 Обычно АЧХ строят на двойной логарифмической сетке: по оси ординат откладывают значения K_u в децибелах, а по оси абсцисс – частоты в логарифмическом масштабе, однако около делений записывают значения частот без логарифма (рис. 7.2, б).

Полоса пропускания усилителя оп­ределяет диапазон частот D f (или D w), в пределах которого коэффициент усиления K_u (на средней частоте) не сни­жается ни­же  своего уро­вня, т. е. D f = f _в - f _н,где f _в и f _н – верхняя и нижняя частоты среза АЧХ усилителя.

Фазочастотная характеристика j(f) – это зависимость угла сдвига фаз j между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты (см. рис. 7.2, б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг j линейно зависит от частоты.

Входное и выходное сопротивления усилителя:

При сопротивлении нагрузки R _н выходная мощность

УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Одним из наиболее распространённых усилителей на биполярных тран­­зисторах является усилитель с общим эмиттером (ОЭ). В этом усилителе эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей (рис. 7.3, а). Входное напряжение u _вх от источника сигнала E_c с внутренним сопротивлением R_c подаётся на усиливаемый каскад на биполярном транзисторе VT через конденсатор связи С₁, предотвращающий прохождение постоянной составляющей тока от источника сигнала. Усиленное выходное напряжение подаётся на нагрузку R _н через разделительный конденсатор С₂, т. е. подаётся только переменная составляющая напряже­ния u _вых.

В усилителе, кроме источника переменного сигнала, действует источник напряжения с ЭДС E ₂ (обычно напряжение U_n = 10…30 В) с внутренним сопротивлением R _вт.Сопротивление резистора R _К выбирают, исходя из требований усиления входных сигналов и ограничения тока коллектора I _К транзистора VT. Обычно сопротивление R_K составляет 0,2…5 кОм для транзисторов малой мощности и порядка 100 Ом для транзисторов средней мощности. Резисторы R _Б1 и R _Б2 делителя напряжения питания U_n пред­назначены для установки тока базы I _Б транзистора (по постоянному току), соответственно рабочей точки (точки покоя) на линии нагрузки.

С помощью резистора R _Э создаётся обратная отрицательная связь усилителя по постоянному току, обеспечивающая температурную стабилизацию его ре­жима усиления. Так, при увеличении температуры возрастают постоянные составляющие токов коллектора I _К и эмиттера I _Э и падение напряжения R _Э I _Э. В результате, напряжение U _БЭ уменьшается, что вызывает умень­шение тока базы I _Б, и, следовательно, тока I _К, стабилизируя его.

Конденсатор C _Э большой ёмкости (десятки микрофарад) шунтирует сопротивление резистора R _Э по переменному току, что исключает ослабление усиливаемого сигнала по переменному току цепью обратной связи.

Для удобства анализа работы усилителя отдельно рассматривают его схемы замещения по постоянному (рис. 7.3, б) и пе­­ре­менному току (рис. 7.5). В режиме работы усилителя по постоянному току для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочую точку а (рис. 7.4) выбирают посередине рабочего участка bc линии нагрузки по постоянному току, описываемой уравнением

 где .

Линию нагрузки строят следующим образом. Из приведенного уравнения следует, что при , а при .

Через две найденные точки проводят прямую (нагрузочную) линию. Задав ток базы в режиме покоя I _{Б n}, находят на пересечении линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при I _Б = I _Бп точку покоя а(U _{К n}, I _{К n}).

Сопротивление резистора R _Б1 рассчитывают по формуле

При этом U _{Б n} » 0,3 В для германиевых и U _{Б n} » 0,65 В для кремниевых транзисторов.

Приближенно токи покоя коллектора и эмиттера в рабочей точке а рассчитывают по формулам:

; .

Напряжение покоя эмиттера

Сопротивления ; , а ёмкость  где f – частота входного напряжения u _вх.

Ёмкости  и

В режиме работы усилителя по переменному току принимают

,

пренебрегают также внутренним сопротивлением R _вт и ёмкостью С _n  источника пи­та­ния, т. е. источник питания в схеме замещения замыкают накоротко (рис. 7.5, а).

При подаче на вход усилителя переменного напряжения u _вх происходит изменение тока базы i _Б, тока коллектора i _К и напряжения на коллекторе  (см. рис. 7.4). Амплитуда переменного коллекторного тока I_mK примерно в h₂₁ раз больше амплитуды тока базы I_{m Б}, а амплитуда коллекторного напряжения U_mK во много раз больше амплитуды входного напряжения. Таким образом, в схеме усилителя с ОЭ усиливается ток и напряжение входного сигнала.

Пользуясь графиками, изображенными на рис. 7.4, нетрудно определить входное сопротивление и коэффициенты усиления каскада:

При этом положительному полупериоду вход­но­го напряжения u _вх соответствует отрицательный полупериод выходного нап­ряжения u_K » u _вых. Иначе говоря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°, т. е. схема усилителя с ОЭ является инвертирующим устройством, усиливающим и изменяющим фазу входного напряжения на 180°.

Обычно рассмотренный тип усилительного каскада работает в режиме усиления слабых сигналов (постоянные составляющие тока базы и коллектора существенно превосходят аналогичные переменные составляющие). Эти особенности позволяют использовать аналитические методы расчета параметров усилительного каскада на низких частотах по известным h-па­раметрам транзистора (рис. 7.5, б), полагая, что транзистор работает в линейном режиме. При этом сигнал, поданный на вход усилителя, практически не искажается (по форме) на его выходе.

Наличие в усилителе ёмкостей C₁ и С₂ (см. рис. 7.3, а) приводит к частотным искажениям усиливаемых сигналов в области нижних частот: с уменьшением частоты входного сигнала увеличивается сопротивление кон­денсатора , падение напряжения u _С1 на нем, следовательно, снижается входное u _вх и выходное u _вых напряжения. Это приводит к умень­шению коэффициента усиления K_u с уменьшением частоты (см. рис. 7.2, б), а наличие в усилителе междуэлектродных ёмкостей транзистора и монтажных ёмкостей приводит к возникновению частотных искажений усиливаемых сигналов в области высоких частот. С учётом ёмкости С_К коллекторного p - n-перехода, условно вклю­чаемой между коллектором и базой, входное сопротивление каскада в области верхних частот

.

Входное сопротивление усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ обычно имеет значение порядка нескольких сотен ом. Выходное сопротивление обычно на порядок больше входного. При подключении к усилителю высокоомного источника сигнала ( ) и низкоомной нагрузки ( ) расчёт основных параметров усилителя проводят по следующим формулам:

; ;

; .

Реальный коэффициент усиления по напряжению K_u всегда меньше коэффициента усиления ненагруженного усилителя ( ). Это различие тем заметнее, чем больше выходное сопротивление усилителя и меньше сопротивление нагрузки R _н. На практике реальный коэффициент усиления каскада K_u может достигать нескольких сотен, а коэффициент усиления по мощности  в схеме с ОЭ – нескольких тысяч.

Усилительные каскады на полевых транзисторах работают аналогично усилителям, собранным на биполярных транзисторах, если учесть, что уп­равляющим сигналом усилителя на полевом транзисторе является напряжение затвора U _З, а коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим истоком (с ОИ) при R _д >> R_C (R _д - дифференциальное выходное сопротивление транзистора)

,

где S  = D I _С/D U _З – крутизна стоко-затворной характеристики транзистора; R _С и R _И – сопротивления резисторов, включенных в цепи стока и истока транзистора усилителя.

Вследствие высоко­го входного сопротивления усилителей на полевых транзисторах можно использовать разделительный конденсатор С₁ небольшой ёмкости.

---

Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 57; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!