Исследование усилительных каскадов на транзисторах

ЛАБАРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Исследование усилительных каскадов на транзисторах

Цель работы: исследование параметров RC усилительных каскадов с общим эмиттером, с общим коллектором, общей базой на биполярных транзисторах и каскада с общим истоком на полевом транзисторе при их работе на средних частотах.

 

                       

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

RC усилитель (рисунок 1) предназначен для усиления низкочастотного входного сигнала по напряжению, току и мощности.

 

                                    Рисунок 1 - Усилитель

 

Основными параметрами усилителя является:

 

- коэффициент усиления по напряжению

 

,

- коэффициент усиления по току

 

,

- коэффициент усиления по мощности 

 

,

- входное сопротивление

.

- выходное сопротивление

.

В лабораторной работе определяются параметры усилителей работающих в линейном режиме, т.е. выходной сигнал в них по форме и спектральному составу близок к входному. Это достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных значений напряжения (тока), составляющих входной сигнал.

Параметры усилительных каскадов зависят от способов включения транзистора. В связи с этим анализ свойств усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится ниже для трех схем включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ), а также рассматривается каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком (ОИ).

 Параметры каскадов определяются по переменному току в области средних частот, для чего на их входы  подается синусоидальное напряжение с частотой 1000 Гц. При этом реактивное сопротивление конденсаторов связи и эмиттерных конденсаторов, можно считать равным нулю и пренебречь влиянием паразитных емкостей схемы и коллекторных емкостей транзистора, а также зависимостью статического коэффициента усиления тока базы  транзистора от частоты.

 

Усилительный каскад ОБ

В схеме каскада ОБ (рис. 7) напряжение смещения на базе, относительно эмиттера, создается с помощью делителя, состоящего из резисторов  и . Тем самым фиксируется положение рабочей точки на входной динамической характеристике каскада. Через резистор  проходит постоянная составляющая эмиттерного тока . Поэтому суммарная величина напряжения смещения, подаваемого на базу будет равна

 

.

 

 

Рисунок 7 – Усилительный каскад ОБ

 

Конденсатор  свободно пропускает переменную составляющую базового тока, устраняя отрицательную обратную связь по базовой составляющей переменного тока и повышая этим коэффициент усиления каскада по напряжению. Входной конденсатор  разделяет цепи источника входного сигнала и усилительного каскада по постоянному току.

Подобно схеме с ОЭ  эмиттерный ток усилителя с ОБ имеет постоянную и переменную составляющие , который вызывает появление постоянной и переменной составляющей коллекторного тока .

На выходном сопротивлении коллекторный ток создает выходное падение напряжения, которое содержит постоянную составляющую  и переменную составляющую .

Коэффициент усиления этого каскада по переменному напряжению, а также входное и выходное сопротивление, вытекают из П-образной схемы замещения подобной схеме представленной на рис. 5 для каскада с общим эмиттером, но с h -параметрами, определенными для схемы с общей базой:

 

,

 

где  - статический коэффициент передачи тока схемы ОБ.

 и  - действующие значения входного и выходного напряжения.

 

    Коэффициент усиления этого каскада по току

 

.

 

    Входное и выходное сопротивление каскада имеют небольшую величину             

 

,

 

где - входное сопротивление транзистора с ОБ;

 

, при ,

 

 где  - выходная проводимость транзистора с ОБ.

    Усилительный каскад с общей базой обладает значительно лучшей температурой стабилизацией рабочего режима.

 

Режима работы

Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах тот же, что и каскадов на биполярных транзисторах. Особенность заключается в том, что полевой транзистор управляется напряжением, а не током. По этой причине задание режима покоя в каскадах на полевых транзисторах осуществляется подачей во входную цепь каскада постоянного напряжения соответствующей величины и полярности.

На рис. 10 приведена схема  усилительного каскада на полевом транзистора с p – каналом. Транзистор включен по схеме с общим истоком с автоматическим смещением рабочей точки.

 

 

Рисунок 10 – Каскад с ОИ с истоковой стабилизацией режима работы

 

На рис. 11 изображено семейство статических выходных вольт – амперных характеристик транзистора с кривой допустимой мощности , линия нагрузки по постоянному току, описываемая выражением

,      

 

где  - напряжение питания;      

 - ток стока,

а также сток-затворная характеристика усилительного каскада.

 

Основным элементом каскада являются полевой транзистор VT. Последовательно с ним включен резистор , который выполняет роль стоковой нагрузки.

Для разделения постоянной и переменной составляющих тока стока  нагрузка  присоединена к стоку транзистора через разделительный конденсатор . Элементы  и  предназначены для задания напряжения  в режиме покоя. Резистор  создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора, конденсатор  предназначен для исключения отрицательной обратной связи по переменному току. Конденсатор связи  обеспечивает связь каскада с источником входного сигнала.

 

 

 

Рисунок 11 – графический анализ работы усилительного каскада ОИ

 

Напряжение покоя  создается следующим образом.  С помощью резистора  обеспечивается равенство потенциалов затвора и нижнего вывода резистора . В результате падение напряжения  на резисторе  оказывается приложено между затвором и истоком транзистора. Сопротивление  выбирают на несколько порядков меньше входного сопротивления транзистора. Это необходимо для исключения влияния температурной нестабильности, и разброса значений входного сопротивления каскада.

    Таким образом, необходимую величину и полярность напряжения смещения получают на резисторе  за счет протекания через него тока . Величина и полярность напряжения смещения для транзистора с каналом - типа находится из следующих соотношений:

 

, ,

 

.

 

При этом сопротивление резистора  выбирают такой величины, чтобы все изменение входного сигнала находилась на линейном участке сток-затворной динамической характеристики.

Основные параметры усилительного каскада находятся из соотношений вытекающих из его схемы замещения для переменного тока средних частот (рис. 12).

 

 

Рисунок 12 – П-образная схема замещения усилительного каскада с ОИ

 

где ,  и   - действующие значения напряжений и токов.

       

Входное сопротивление представляет цепь образованную параллельно включенными сопротивлением  и проводимостью , откуда  

 

 

   Выходное сопротивление представляет цепь образованную параллельно включенными сопротивлением  и проводимостью .

 

   Выходное падение напряжения отстает от входного на  и равно

 

.

 

Откуда коэффициент усиления такого каскада по напряжению равен

 

,

 

где  - крутизна транзистора, ().

      

 

ХОД РАБОТЫ

ЛАБАРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Исследование усилительных каскадов на транзисторах

Цель работы: исследование параметров RC усилительных каскадов с общим эмиттером, с общим коллектором, общей базой на биполярных транзисторах и каскада с общим истоком на полевом транзисторе при их работе на средних частотах.

 

                       

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

RC усилитель (рисунок 1) предназначен для усиления низкочастотного входного сигнала по напряжению, току и мощности.

 

                                    Рисунок 1 - Усилитель

 

Основными параметрами усилителя является:

 

- коэффициент усиления по напряжению

 

,

- коэффициент усиления по току

 

,

- коэффициент усиления по мощности 

 

,

- входное сопротивление

.

- выходное сопротивление

.

В лабораторной работе определяются параметры усилителей работающих в линейном режиме, т.е. выходной сигнал в них по форме и спектральному составу близок к входному. Это достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных значений напряжения (тока), составляющих входной сигнал.

Параметры усилительных каскадов зависят от способов включения транзистора. В связи с этим анализ свойств усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится ниже для трех схем включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ), а также рассматривается каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком (ОИ).

 Параметры каскадов определяются по переменному току в области средних частот, для чего на их входы  подается синусоидальное напряжение с частотой 1000 Гц. При этом реактивное сопротивление конденсаторов связи и эмиттерных конденсаторов, можно считать равным нулю и пренебречь влиянием паразитных емкостей схемы и коллекторных емкостей транзистора, а также зависимостью статического коэффициента усиления тока базы  транзистора от частоты.