Опис схеми дослiдження пiдсилювача напруги

Мета роботи

Вивчити принцип дiї та опанувати методику зняття основних характеристик пiдсилювача напруги низької частоти на біполярному транзисторi.

Теоретичнi вiдомостi

Пристрої, якi використовуються для пiдсилення електричних сигналiв, називаються електронними пiдсилювачами.

Електроннi пiдсилювачi є основними вузлами рiзноманiтної електронної апаратури, широко використовуються в пристроях автоматики, телемеханiки, системах автоматичного керування та контрольно-вимiрювальних приладах.

Електроннi пiдсилювачi вiдрiзняються великим коефiцiєнтом пiдсилення (10⁵...10⁶⁾, високою швидкодiєю (постiйна часу 10^-6...10^-9 с) i чутливiстю (порiг чутливостi струму 10^-7 А , напруги -10^-13 V). Вони економiчнi, надiйнi, мають малi габарити i масу.

В даний час в пiдсилювачах використовуються, в основному, біполярні i польовi транзистори та iнтегральнi мiкросхеми.

За призначенням пiдсилювачi дiляться на пiдсилювачi напруги i пiдсилювачi потужностi. Пiдсилювачами напруги називають попереднi каскади пiдсилення, призначенi для пiдсилення сигналiв за напругою до рiвня, необхiдного для нормальної роботи пiдсилювачiв потужностi. Їх пiдсилюючі властивостi характеризують коефiцiєнтом пiдсилення за напругою

.                   

Кiнцевi каскади повиннi забезпечувати передачу у навантаження не обхiдної потужностi i їх підсилюючі властивості характеризують коефiцiєнтом пiдсилення за потужнiстю

.                    

У багатокаскадних пiдсилювачах результуючий коефiцiєнт пiдсилення дорiвнює добутку коефiцiєнтiв пiдсилення окремих каскадiв:

.                   

Коефiцiєнти пiдсилення - безрозмiрнi величини, але в логарифмiчному масштабi їх виражають в белах i децибелах. У загальному випадку коефiцiєнти передачі  є комплексними функцiями частоти.

За дiапазоном частот сигналiв, у межах якого пiдсилювач працює задовiльно, пiдсилювачi подiляються на пiдсилювачi низької частоти (0.01...100 кГц), пiдсилювачi високої частоти (0.01...100 МГц), пiдсилювачi надвисокої частоти (вище100МГц), пiдсилювачi постiйного струму (повільно змінних сигналiв), широкосмуговi (iмпульснi) пiдсилювачi та вузькосмуговi (вибiрнi) пiдсилювачi.

Частотнi властивостi пiдсилювачiв оцiнюються за їх амплiтудно-частотними характеристиками  при . Типова амплiтудно-частотна характеристика пiдсилювача приведена на рис.6.1, а.

а )                                                     б)      

Рис.6.1. Амплiтудно-частотна (а) i амплiтудна

характеристики пiдсилювача (б).

Зазвичай смуга пропускання пiдсилювача  визначається на рiвнi . Ширина смуги пропускання (дiапазон пiдсилюваних частот) залежить вiд частотних властивостей транзисторiв, способу їх включення та cхемних особливостей пiдсилювача. Дiапазон змiни величини вхiдної напруги, яка може бути пiдсилена без спотворення її форми, визначається за амплітудною характеристикою пiдсилювача. Амплітудною характеристикою  при називають залежнiсть вихiдної напруги підсилювача вiд вхiдної для заданої частоти (для пiдсилювачiв звукової частоти вона рiвна ). Важливими параметрами пiдсилювачiв є величини вхiдного  i вихiдного опорiв. Пiдсилювач напруги повинен мати великий вхiдний опiр, щоб не навантажувати джерело сигналу, i низький - вихiдний для простоти узгодження його з навантаженням (iншим каскадом).

Каскади пiдсилення розрiзняються також за способом включення транзистора. Найбiльш поширеними є каскади пiдсилювачiв напруги на бiполярних транзисторах, включених за схемою зi спiльним емiтером (рис.6.2). Емiтерний електрод транзистора в цих пiдсилювачах з'єднується з загальним провiдником, який позначається ^ . Потенцiал загального провiдника приймається рiвним нулю. В колекторне коло транзистора вмикається навантаження, за допомогою якого створюється вихiдна напруга. Якщо навантаженням служить резистор , то каскад називають резисторним.

Живлення колекторного кола транзистора здiйснюється вiд джерела . При вiдсутностi вхiдного сигналу невелику початкову напругу на базу транзистора, так зване початкове змiщення, можна подавати вiд того ж джерела живлення  через резистор (рис.6.2,а), або з подiльника напруги, утвореного резисторами  i  (рис.6.2,б).

а)                                                          б)

Рис.6.2. Схеми пiдсилювачiв напруги при змiщеннi з фiксованим

струмом бази (a) та фiксованим потенцiалом бази (б).

Спосiб створення змiщення через резистор  називають змiщенням зфiксованим струмом бази. При роботi пiдсилювача постiйна складова струму бази не змiнюється, оскiльки опiр резистора  багато бiльший опору переходу база-емiтер транзистора. Змiщення за допомогою подiльника напруги  i  називають змiщенням з фiксованою напругою база-емiтер. Щоб напруга змiщення залишалася практично постiйною, струм подiльника вибирають у 5...10 разiв бiльшим за струм бази. При цьому похибка не буде перевищувати . Полярнiсть напруги залежить вiд типу транзистора (  чи ).

Вхiдний сигнал поступає на базу транзистора через конденсатор , який пропускає лише змiнну складову напруги джерела сигналу. Такий вхiд підсилювача називають закритим на противагу вiдкритому (прямому), при якому конденсатор вiдсутнiй.

При вiдсутностi вхiдного сигналу за рахунок початкового змiщення в транзисторi протiкає струм бази i вiдповiдний йому струм колектора при напрузi на колекторi , якi визначають режим роботи за постiйним струмом. Становi спокою вiдповiдає певне положення робочої точки  на статичних вольт-амперних характеристиках транзистора.

Для колекторного кола у вiдповiдностi з другим законом Кiрхгофа можна записати рiвняння електричного стану

.

Це рiвняння прямої лiнiї, яку називають навантажувальною прямою. Її будують на вихiдних вольт-амперних характеристика транзистора за вiдрiзками, якi вона вiдсiкає на осях координат:  при  на осi абсцис i  при  на осi ординат (рис.6.3).

Рис.6.3. Графiчний аналiз роботи каскаду пiдсилювача напруги.

Навантажувальна пряма проходить через робочу точку . Точки перетину лiнiї навантаження з колекторними характеристиками дають розв'язок рiвняння стану для рiзних значень струму бази. В процесi роботи пiдсилювача робоча точка здiйснює коливання вздовж навантажувальної прямої.

Роботу пiдсилювача прийнято розглядати на прикладi гармонiчного вхiдного сигналу. Змiнна вхiдна напруга, що дiє мiж базою i емiтером транзистора, викликає змiну струму бази за тим же законом. Амплiтуду базового струму можна знайти графiчною побудовою на вхiднiй вольт-ампернiй характеристицi транзистора .

 Зi змiною базового струму транзистора пропорцiйно змiнюється струм у його колекторному колi. Величину колекторного струму знаходять за допомогою перехiдної характеристики транзистора . При змiнi струму колектора, у протифазi, змiнюється напруга на колекторi транзистора у вiдповiдностi з рiвнянням електричного стану. Амплiтуду змiнної складової колекторної напруги, яка i є пiдсиленою напругою, можна визначити графiчним способом. Для цього використовують навантажувальну пряму, побудовану на вихiдних вольт-амперних характеристиках транзистора для заданого значення .

З колектора транзистора через конденсатор  пiдсилена напруга передається на вихiд підсилювача. Амплiтуда вихiдної напруги у  разiв бiльша за амплiтуду вхiдної. Пiдсилення досягається за рахунок енергiї джерела живлення.

Теоретичний аналiз властивостей пiдсилювача проводять за допомогою схеми замiщення для змiнних складових струмiв i напруг. На рис.6.4 приведена схема замiщення пiдсилювача, електрична схема котрого вiдповiдає рис.6.2, а.

Рис.6.4. Схема замiщення пiдсилювача напруги.

В основi схеми замiщення пiдсилювача лежить схема замiщення транзистора. Для змiнного струму опiр джерела колекторного живлення рiвний нулю, тому на еквiвалентнiй схемi пiдсилювача (рис.6.4) резистор  включено паралельно до вхiдного опору транзистора  , а резистор  паралельно до переходу колектор-емiтер.

В робочому дiапазонi частот опорами конденсаторiв  i   можна знехтувати. За умови, що  i , на основi схеми замiщення можна отримати формулу для визначення коефiцiєнта пiдсилення

.

З наведеного виразу видно, що для забезпечення великого пiдсилення необхiдно вибирати  якомога бiльшим та використовувати транзистори з великим коефiцiєнтом передачi струму .

Властивостi бiполярних транзисторiв у великiй мiрi залежать вiд температури. Зi змiною температури змiнюється режим роботи пiдсилювача за постiйним струмом, що призводить до змiни коефiцiєнта пiдсилення i спотворення форми сигналу. Для усунення впливу температурних змiн у пiдсилювачах застосовується колекторна чи емiтерна стабiлiзацiя температурного режиму. Емiтерна стабiлiзацiя полягає у тому, що в коло емiтера транзистора вмикається невеликий опiр , зашунтований конденсатором  (рис.6.5).

 Рис.6.5. Пiдсилюючий каскад з емiтерною

температурною стабiлiзацiєю.

Стабiлiзацiя режиму вiдбувається наступним чином. При зростаннi температури збiльшується емiтерний струм транзистора, а отже i спад напруги на резисторi . З ростом спаду напруги на резисторi  зростає потенцiал емiтера транзистора. Так як потенцiал бази фiксований, то зростання потенцiалу емiтера призводить до закривання транзистора i зменшення струму емiтера до попереднього заданого значення. Щоб резистор  не впливав на режим роботи за змiнним струмом його шунтують конденсатором . Ємнiсть конденсатора вибирається такою, щоб опiр конденсатора  на нижнiй граничнiй частотi сигналу був у 5 ... 10 разiв менший опору .

Схема каскаду пiдсилення зі спiльним колектором (рис.6.6) вiдрiзняється найбiльшим вхiдним опором. Її часто застосовують у перших каскадах пiдсилювачiв напруги. Коефiцiєнт пiдсилення каскаду зі спiльним колектором близький до одиницi, тому цей каскад ще має iншу назву - емiтерний повторювач. За змiнним струмом колектор транзистора через безмежно малий опiр джерела живлення з'єднаний з загальним провiдником. Резистор  створює початкове змiщення на базi транзистора. Резистор , за допомогою якого видiляється пiдсилена напруга, включено в емiтерне коло транзистора.

Рис.6.6. Cхема емiтерного повторювача.

З появою вхiдної напруги змiнюється струм бази i, вiдповiдно, струм емiтера транзистора. Змiнна складова емiтерного струму визиває змiнну напругу на резисторi . Фази вхiдної i вихiдної напруги спiвпадають, тобто емiтерний повторювач не вносить зсуву фаз.

В наш час у пiдсилювачах широко застосовують польовi транзистори. Пiдсилювачi напруги, виконанi на польових транзисторах, не потребують температурної стабiлiзацiї, мають бiльшi вхiднi опори i меншi власнi шуми, нiж пiдсилювачi з бiполярними транзисторами.

На рис.6.7 приведено приклад типових схем каскадiв, виконаних на польових транзисторах з вбудованими каналами.

В схемi рис.6.7,а польовий транзистор з затвором, вiддiленим вiд каналу  переходом, включено за схемою iз спiльним витоком. Резистор  є навантаженням в стоковому колi транзистора. Резистор  з великим опором (порядку одного мегаОма) забезпечує гальванiчний зв'язок затвора з загальним провiдником. На резисторi  у колi витоку створюється спад напруги, яка служить змiщенням мiж затвором i витоком транзистора при вiдсутностi вхiдного сигналу. Конденсатор  шунтує резистор  для змiнних складових струму витоку.

а)                                                                              б)

Рис.6.7. Каскади пiдсилення на польових транзисторах з

p-n - переходом (a) та з iзольованим затвором (б).

Польовi транзистори з iзольованим затвором (МОП-cтруктури) можуть працювати без початкового змiщення (рис.6.7, б).

Робота пiдсилювачiв на польових транзисторах вiдрiзняється від роботи підсилювачів на біполярних транзисторах тим, що у вхiдних колах польових транзисторiв не протiкають вхiднi струми. Змiна потенцiалу на затворi транзистора безпосередньо викликає змiну струму у його каналi.

Програма роботи

1. Зiбрати схему дослiдження пiдсилювача напруги.

2. Встановити початкове змiщення бази транзистора.

3. Вимiряти напруги на електродах транзистора при вiдсутностi вхiдного сигналу.

4. Зняти амплiтудну характеристику пiдсилювача.

6. Зняти амплiтудно-частотну характеристику пiдсилювача.

Опис схеми дослiдження пiдсилювача напруги

 Рис.6.8. Схема дослiдження резисторного пiдсилювача напруги.

(Резистори R1=150 кОм; R2=47 кОм; R3= 10 кОм; R4=680 Ом; R5= 8.2 кОм; конденсатори C1=C2=10 мкФ, 16 V; C3=50 мкФ, 16 V; транзистор VT-КТ315Г;  мультиметр Ф4372; тестер Ц4301.)

Порядок виконання роботи

1. На монтажнiй панелi зберiть схему дослідження пiдсилювача напруги згiдно з рис.6.8. Пiд'єднайте пiдсилювач до блока живлення +15 V. Ручку регулювання напруги “+15 V” виведiть в крайнє лiве положення. Вхiд пiдсилювача з’єднайте з виходом генератора сигналiв . До входу пiдсилювача пiд'єднайте мультиметр Ф4372. Вхiд осцилографа пiдключiть паралельно до резистора навантаження  R5.

Пiсля перевiрки схеми викладачем включiть прилади. З блока живлення

+15 V подайте напругу живлення, рiвну 10 V.

2. Для встановлення початкового змiщення з генератора сигналiв подавайте коливання синусоїдної форми напругою 25 mV з частотою 1000 Гц. Змiнюючи величину опору резистора R2 i , добийтеся на навантаженнi максимального неспотвореного сигналу.

3. Вимкнiть генератор сигналiв. При вiдсутностi вхiдного сигналу проведiть вимiрювання напруг мiж загальним провiдником i електродами транзистора за допомогою тестера. Дані вимірювань занесіть до табл.6.1.

Таблиця 6.1.

4.Для зняття амплiтудної характеристики  на частотi 1000 Гц змiнюйте напругу генератора сигналiв вiд 0 V і до величини, при якiй наступають помiтнi обмеження амплітуди вихiдного сигналу. Вимiрювання дiючого значення вхiдної i вихiдної напруг пiдсилювача проводьте за допомогою мультиметра. При цьому вхiд мультиметра почергово переключайте з входу на вихiд пiдсилювача i навпаки.

Данi вимiрювань занесiть до табл.6.2.

                                           Таблиця 6.2.

За даними табл.6.1 побудуйте амплiтудну характеристику пiдсилювача.

5. Для зняття амплiтудно-частотної характеристики пiдсилювача  установiть вхiдний сигнал на половинi значення, при якому починається обмеження амплiтуди вихiдного сигналу. Пiдтримуючи вхiдну напругу постiйною, змiнюйте частоту вхiдного сигналу в межах 20...20000 Гц з кроком 200 Гц i вимiрюйте дiюче значення вихiдної напруги мультиметром.

Данi занесiть у табл.6.3.

                                               Таблиця 6.3

За даними табл.6.3 розрахуйте коефiцiєнт пiдсилення  i побудуйте амплітудно-частотну характеристику пiдсилювача напруги.

Контрольнi запитання

1.За якими ознаками класифiкуються пiдсилювачi?

2.Якi основнi характеристики пiдсилювачiв напруги?

3.Якi способи вмикання транзисторiв застосовуються в пiдсилювачах?

4. Яке призначення елементiв типової схеми пiдсилювача напруги на бiполярному транзисторi?

6. Якi способи створення початкового змiщення?

7. Пояснiть роботу пiдсилювача за графiчними побудовами.

8. Вiд чого залежить величина коефiцiєнта пiдсилення каскаду зi спiльним емiтером?

 9.Якi особливостi емiтерних повторювачiв?

10.Якi вiдмiнностi пiдсилюючих каскадiв з польовими транзисторами?