Резиновые лодки

Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе принцип работы. Принцип работы усилителя на биполярных транзисторах. Задание на курсовую работу

Страница 1 из 2

Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора. Этот режим характеризуется протеканием через его электроды при отсутствии входного электрического сигнала некоторых постоянных токов эмиттера, коллектора и базы. С применением дополнительного источника увеличиваются размеры всего устройства, его масса, усложняется конструкция, да и стоят два источника дороже, чем один. В то же время можно обойтись одним источником, употребляемым для питания коллекторной цепи транзистора. Одна из таких схем усилителя показана на рисунке.

В этой схеме нагрузкой усилителя является резистор R K , а используя резистор R б, задают необходимый ток базы транзистора. Если режим работы транзистора задан (при этом часто говорят, что задана рабочая точка на характеристиках транзистора), становятся известными ток базы и напряжение U БЭ, а сопротивление резистора R б, обеспечивающего этот ток, можно определить по формуле:
R б =(G K -U БЭ)/I Б.
Так как U БЭ обычно составляет не более 0,2…0,3В для германиевых транзисторов и 0,6…0,8 В — для кремниевых, а напряжение G K измеряется единицами или даже десятками вольт, то U БЭ < и можно записать:
R б ≈G K /I Б.
Из выражений следует, что независимо от типа транзистора VT ток его базы будет постоянным: I Б = G K /R б. Поэтому такая схема получила название схемы с общим эмиттером (ОЭ) и фиксированным током базы.
Режим работы транзистора в усилительном каскаде при постоянных токах и напряжениях его электродов называют исходным, или режимом покоя.
Включение нагрузки в коллекторную цепь транзистора приводит к падению напряжения на сопротивлении нагрузки, равному произведению I K R K .
В результате напряжение, действующее между коллектором и эмиттером Uкэ транзистора, оказывается меньше, чем напряжение G K источника питания на величину падения напряжения на сопротивлении нагрузки, т. е.:
U КЭ =G K -I K R K .
Если эту зависимость отобразить графически на семействе статических выходных характеристик транзистора, то она будет иметь вид прямой линии. Для ее построения достаточно определить всего две принадлежащие ей точки (так как через две точки можно провести только одну прямую). Каждая точка должна быть задана двумя координатами: I K и U КЭ.
Задавшись конкретным значением одной из координат, определяют вторую координату, решая уравнение U КЭ =G K -I K R K . Прямая, построенная в соответствии с уравнением на семействе статических выходных характеристик, транзистора, называется нагрузочной прямой.
Нагрузочная прямая, показанная на рисунке (а), построена для случая, когда G K =10В и R К =200 Ом.

1-я точка: =0;U КЭ =G K —0R K =G K =10 В;
2-я точка: I K =30 мА; U КЭ =10—30-10^3-200=10—6=4 В.

Если в исходном режиме (режиме покоя) ток базы равен 2 мА, этот режим будет определяться точкой A, лежащей на нагрузочной прямой в месте пересечения ее со статической выходной характеристикой, полученной при I БО =2 мА. При этом I КО =20 мА; U КЭO =5,8 В. Если перенести точку A на семейство входных характеристик (рис., б), можно найти U БЭО. Оно равно 0,25 В.
При подаче на вход усилителя переменного напряжения с амплитудой 50 мВ (0,05 В) на оси напряжений входных характеристик относительно напряжения U БЭО =0,25 В откладывают по обе стороны отрезки, соответствующие напряжению 0,05 В, и из их концов восстанавливают перпендикуляры к оси U БЭ до пересечения со статической характеристикой, на которой расположена точка А, обозначающая режим покоя усилителя. В точках пересечения перпендикуляров с характеристикой проставляют буквы В и С. Таким образом, при поступлении на вход переменного напряжения режим работы будет уже определяться не точкой А, а ее перемещениями между точками В и С. При этом ток базы изменяется от 1 до 3 мА. Другими словами, переменное напряжение на входе усилителя приводит к появлению переменной составляющей в его входном токе — токе базы. В данном примере амплитуда переменной составляющей тока базы, как видно из рисунка, равна 1 мА.
Точки B и С можно перенести на семейство выходных характеристик. Они будут находиться в местах пересечения нагрузочной характеристики со статическими, полученными при токах базы, равных 1 и 3 мА. Из этого рисунка, видно, что в режиме с нагрузкой появилась переменная составляющая коллекторного напряжения. Иначе, коллекторное напряжение теперь не остается постоянным, а изменяется синхронно
с изменениями входного напряжения. Причем изменение коллекторного напряжения ΔU КЭ =7,5—4,3=3,2В оказывается больше изменения входного напряжения ΔU БЭ =0,3—0,2=0,1В в 32 раза; т. е. получено усиление входного напряжения в 32 раза.
Поскольку напряжение источника питания G K постоянное, изменение коллекторного напряжения равно изменению напряжения на резисторе коллекторной нагрузки, т. е.ΔU КЭ = ΔI К R К. Из этого выражения видно, что чем больше сопротивление резистора R К, тем сильнее изменяется на нем напряжение и тем больше будет усиление. Однако увеличивать сопротивление резистора R K можно лишь до некоторого предела, превышение которого может привести даже к снижению усиления и появлению больших искажений усиливаемого сигнала.
В усилителе, схема которого приведена на верхнем рисунке, режим работы транзистора определяется током базы, который устанавливается резистором R б. Режим работы транзистора можно также установить, подав на его эмиттерный переход напряжение с делителя R1R2.

Ток делителя I Д, протекающий через резисторы R1 и R2, вызывает на сопротивлении резистора R2 падение напряжения, которое подается на эмиттерный переход транзистора и смещает его в прямом направлении. Это напряжение определяется в основном соотношением сопротивлений резисторов R1,R2 и протекающим через них током I Д и почти не зависит от типа транзистора. Поэтому такую схему иногда называют схемой с фиксированным напряжением смещения.

Предыдущая страница – Следующая страница

Лабораторная работа

"Однокаскадный усилитель низкой частоты"

Полянчев С., Коротков Р.

Цель работы : Изучение схемы резистивно-ёмкостного усилительного каскада на биполярном транзисторе и экспериментальное определение основных характеристик усилителей.

Теоретическая часть.

Основные характеристики усилителей

Усилитель осуществляет увеличение энергии управляющего сигнала за счёт энергии вспомогательного источника. Хотя в любом усилителе происходит усиление мощности сигнала, на практике выделяют три группы усилителей: напряжения, тока и мощности. В соответствии с этим делением различают коэффициенты усиления по направлению, по току и по мощности.

Коэффициент усиления по напряжению или, ещё говорят, коэффициент передачи напряжения K u – это отношение выходного напряжения

Ъ вых =U вых усилителя к его входному напряжению Ъ вход =U вход
:

K u =
=
=K u e jφ ,

где K u =
- называют амплитудно-частотной характеристикой усилителя, а φ(ω)=φ 2 -φ 1 – фазово-частотной характеристикой.

Аналогично вводятся коэффициенты усиления по току и по мощности:

K I =
; K P =
.

Одной из важных характеристик усилительного каскада является его амплитудная характеристика: зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала. На рис.1 приведены частотная (а), фазовая (б) и амплитудная (в) характеристики идеального (пунктирная кривая) и реального (сплошная линия) усилителей.

На рис. 1а Δω=ω B -ω H называется полосой пропускания усилительного каскада.

Усилительный каскад является элементом некоторой радиотехнической схемы – ко входу усилителя подключается источник сигнала, а к выходу – нагрузка. Для согласования усилителя с названными элементами, а также для анализа работы каскада необходимо знать входное и выходное сопротивление усилителя.

Входным сопротивлением усилителя называется сопротивление между его входными зажимами при воздействии усиливаемого сигнала, т.е.

Z вх =, аналогично выходное сопротивление каскада Z вых =
.

2. Задание режима работы транзистора по постоянному току фиксированным током базы в схемах с общим эмиттером

Схема однокаскадного усилителя, пригодного для практического применения, приведена на рис.2.

Конденсаторы с 1 и с 2 служат для разделения по постоянному току усилителя и источника сигнала. Сопротивления R б и R к требуются для создания необходимых постоянных напряжений между электродами транзистора. При этом абсолютные значения напряжений на том или ином выводе, как правило, не играют существенной роли, важны лишь относительные значения. Только после создания требуемых постоянных напряжений между отдельными электродами транзистора или, как говорят, режима схемы по постоянному току, возможна нормальная работа усилительного каскада.

Для выбора режима работы транзистора необходимо знать семейство его выходных характеристик, т.е. зависимость тока коллектора I к от напряжения эмиттер-коллектор U эк, для различных фиксированных значений тока базы I б. Потребуется, также, величина коэффициента передачи тока базы для выбранного транзистора:

β=
.

На рис.3 приведено семейство выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора и нагрузочная прямая.

Точки пересечения нагрузочной прямой, уравнение которой задаётся выбором E и R к, определяют постоянные токи и напряжения в схеме для фиксированного тока базы. На рис.3 выбранные величины помечены звёздочками. Точка B носит название рабочей точки. В окрестности этой точки будут происходить изменения напряжений и токов при подаче на вход усилителя переменного сигнала.

Выбор рабочей точки диктуется получением минимальных нелинейных искажений и максимального динамического диапазона усиления входного сигнала.

Величина напряжения источника питания E определяется заданным значением переменной составляющей U вых. Так как U вых =U 0вых cosωt, то должно быть E>2 U 0вых. Сверху величина напряжения источника питания ограничивается предельно-допустимым значением U кэ max > E ≥ (2U 0вых +1).

Выбор R к должен быть сделан так, чтобы рабочий участок нагрузочной прямой не попадал в область недопустимо больших мощностей рассеяния и область электрического пробоя. После того, как выбор F и R к произведён, следует с помощью сопротивления R б зафиксировать ток базы I б *, чтобы рабочей точкой была точка B, удовлетворяющая, как видно из рис.3, требованию минимальных нелинейных искажений и максимального динамического диапазона усилителя. Точке B соответствует U кэ *= и I к *=
. Найдём значение R б необходимое для выбранного режима работы транзистора. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный в обратном.

Обычно в схемах с ОЭ на маломощных биполярных транзисторах U бэ составляет десятые доли вольта при значениях E единиц вольта, поэтому с большой точностью можно считать

I б =.

Так как I к =β I б, то

R б ==
=
=2βR к.

Окончательно R б =2βR к, видно, что R б зависит от параметра транзистора β.

Схема с фиксированным током базы требует минимум деталей и отличается малым потреблением тока от источника питания, так как R б – велико.

Однако, из-за разброса параметров транзисторов (β) при смене транзистора приходится пересчитывать и R б. Другим существенным недостатком является низкая температура стабильности схемы.

Введение в цепь Эмиттера небольшого по величине сопротивления R э, R э) и позволяет довольно просто производить регулировку величин: R вх (увеличивается при введении R э), K U и K p (уменьшаются при введении R э). Положение рабочей точки практически не меняется (если R э

3. Обратные связи в усилителях

Связь, обеспечивающая возвращение части энергии сигнала с выхода усилителя на его вход, называется обратной связью (ОС). Структурная схема усилителя с ОС имеет вид:

Здесь К – усилитель с коэффициентом усиления К; ж – цепь обратной связи; U x – напряжение обратной связи; U г – входной сигнал; U вх – напряжение, управляющее транзистором.

Та часть схемы, которая из U г и U x вырабатывает U вх, называется суммирующим узлом.

Коэффициентом обратной связи называют отношение:

ж=
.

Если фазы входного сигнала и напряжения обратной связи совпадают, то такая ОС называется положительной, если фазы названных напряжений противоположны – отрицательной. В усилителях реализуется отрицательная обратная связь. Рассмотрим влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя. По определению,

K=; K ОС =
; ж=.

Используя эти определения, можно записать следующую цепочку равенств

=к(U г +U ж)=к(U г + жU вых).

Откуда следует

U вых (1-кж)=кU г

Величину (1- кж) называют глубиной обратной связи.

Из последнего равенства следует, что при отрицательной обратной связи к=-кж и K ОС =
, т.е., отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления.

Практическая часть

Задание 1: Исследовать амплитудную характеристику усилителя U вых = f(U вх).

R к = 1 кОм; R э = 100 Ом; R 1 = 10 кОм; R 2 = 750 Ом; С р = 1 мкФ; f = 1 кГц.

Таблицы для графика:

График 1. Зависимость U вых от U вх для усилителя

Задание 2: Исследовать зависимость коэффициента усиления К ус от частоты для усилителя.

1) Без конденсатора.

Таблицы для графика:

2) C конденсатором (С Э = 10 мкФ)

Таблицы для графика:

График 2. Зависимость Кус от f с конденсатором (сверху) и без конденсатора (снизу)

Задание 3: Исследовать зависимость коэффициента усиления от величины сопротивления R Э для средней частоты (f = 1 кГц).

Таблица для графика:

График 3. Зависимость К ус от R Э

График 4. Зависимость К ус от R К

Вывод: в данной работе мы ознакомились с принципом построения RC-усилительного каскада, его основными характеристиками и назначением элементов. Были подробно разобраны эквивалентные схемы транзистора и усилителя. Получены основные характеристики транзисторного НЧ-усилителя. Исследовалось влияние сопротивлений эмиттера и коллектора на коэффициент усиления. Расхождений с теорий не наблюдается.

Литература

1. В.Н.Ушаков. ”Основы радиоэлектроники и радиотехнические устройства”. М., «Высшая школа», 1976.

2. Е.И. Манаев. “Основы радиоэлектроники”. М., «Радио и связь», 1985.

Усилительные каскады могут быть построены по трем схемам включения транзистора ОЭ, ОК и ОБ. Наиболее распространенная схема усилительного каскада ОЭ на транзисторе п-р-п типаприведена на рис.6, а.

Переменное напряжение U вх , задаваемое источником входного сигнала с действующим значением ЭДС Е и и внутренним сопротивлением R и, подводится к входу усилителя через разделительный конденсатор С р1 .Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора, поступает в нагрузку R н через разделительный конденсатор С р2 . Конденсатор С р1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы транзистора. Конденсатор С р2 разделяет выходную коллекторную цепь от внешней нагрузки R н по постоянной составляющей коллекторного тока I ок . В области рабочих частот (для усиливаемого сигнала), сопротивления разделительных конденсаторов С р1 и С р2 очень малы и ими пренебрегают.

Режим по постоянному току устанавливается с помощью резисторов R 1 и R 2 . По известным значениям Е к и R K на семействе статических характеристик транзистора строят нагрузочную прямую. Рабочую точку на нагрузочной прямой задают начальным током базы I об , которая определяется напряжением смещения между базой и эмиттером, которое подается от общего источника питания Е к с делителя R 1 R 2 ,

Для улучшения температурной стабильности усилителя используют отрицательную обратную связь по постоянному току через резистор R э . Увеличение тока I б с повышением температуры приводит к увеличению тока I э и падения напряжения на резисторе R э . При этом напряжение на эмиттере становится более положительным относительно напряжения базы и эмиттерный переход смещается в обратном направлении. Это вызывает уменьшение базового тока I б , в результате чего ток возвращается к своему первоначальному значению. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току (для усиливаемого входного переменного сигнала) резистор R э шунтируют конденсатором С э, сопротивление которого на частоте сигнала должно быть незначительным.

Усилительный каскад ОЭ наряду с усилением входного синусоидального сигнала поворачивает его фазу на 180°С, т. е. входное и выходное напряжения усилителя противофазы.

	\|	следующая лекция ==>

В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора:с общей, с общим эмиттером, с общим коллектором.

В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

Параметры транзистора в значительной степени зависят от температуры. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению рабочего режима транзистора в простой схеме усилителя при включении транзистора с общим эмиттером.

Для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры используют схемы эмиттерной стабилизации режима работы транзистора.

На рисунках 5.14 и 5.15 приведены схемы однокаскадных усилителей на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p типов с эмиттерной температурной стабилизацией режима работы транзистора.

Проследим цепи, по которым протекают постоянные токи в усилителе по схеме рисунка 5.14. Постоянный ток делителя напряжения протекает по цепи: плюс источника питания, резисторы R1, R2, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT1, резистор Rэ, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор RК, выводы коллектор-эмиттер транзистора, резистор Rэ, минус источника питания. Биполярный транзистор в составе усилителя работает в режиме, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор - в обратном. Поэтому постоянное напряжение на резисторе R2 будет равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1 и напряжения на резисторе Rэ:UR2=Uбэ+URэ. Отсюда следует, что постоянное напряжение на переходе база-эмиттер будет равноUбэ= UR2 - URэ.

Типичная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис.3.4,а.

Входное усиливаемое переменное напряжение Uвх подводится ко входу усилителя через разделительный конденсатор С1. Конденсатор С1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы по постоянному току транзистора VT. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора VT, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением Rн через разделительный конденсатор С2. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока Iкр

Значения Iкр и других постоянных составляющих тока и напряжения в цепях транзистора зависят от режима его работы (начального положения рабочей точки).

Рабочей точкой транзистора называют точку пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических вольт-амперных характеристик. Режим работы транзистора определяется начальным положением рабочей точки (при отсутствии входного переменного сигнала). Это положение определяется на характеристиках совокупностью постоянных составляющих токов и напряжений в выходной IКр, UКЭр и входной IБр, UБЭр цепях (рис. 3.4, б, в).

При работе транзистора в активном (усилительном) режиме (класса А) рабочая точка должна находиться примерно посередине отрезка АВ нагрузочной прямой. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка АВ.

Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R1 и R2, значения сопротивлений которых определяются из соотношений:

где Iд = (2...5)IБр - ток в цепи делителя.

При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки (уменьшить влияние температуры на начальное положение рабочей точки). C этой целью в эмиттерную цепь введен резистор Rэ, на котором создается напряжение ООС по постоянному току URэ.

Для устранения ООС по переменному току (при наличии входного переменного сигнала) резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным.

17.Многокаскадный усилитель

В большинстве случаев одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому усилители, которые применяют в аппаратуре связи и измерительной технике, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо определить общий коэффициент усиления усилителя, искажения, вносимые им, распределять их по каскадам, определить требование к источникам, решить вопросы введения обратных связей и т.д.

2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ МНОГОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Коэффициент усиления усилителя можно определить, исходя из структурной схемы (рис.1):

Кобщ = Uвых/Uвх = (Uвых/Un-1) … (U 3 /U 2)(U 2 /Uвх)=KnKn-1…K 2 K 1 или

Kобщ = K 1 K 2 …Kn e f( 1+  2+…+  n)

где K 1 ,…, Kn – коэффициенты усиления каскадов, 1,…, n – фазовые сдвиги, вносимые каждым усилительным каскадом.

Таким образом, для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Сквозной коэффициент усиления

Kобщ = k вх K общ

где k вх =Zвх/(Zг + Zвх) – коэффициент передачи входной цепи. Если коэффициент усиления отдельных каскадов выразить в логарифмических единицах, то общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя будет равен сумме коэффициентов

K общ[дб] = K 1[дб] + … + K n [дб]

В аппаратуре связи для компенсации потери мощности на отдельных участках (затухания) необходимо, чтобы усилитель работал на согласованную нагрузку, т.е. его входное сопротивление должно быть равно сопротивлению источника (выходного сопротивления предыдущего тракта аппаратуры или линии), а выходное сопротивление должно равняться сопротивлению нагрузки. Для согласования усилителей по входу и выходу используют усилители с обратной связью и согласующие трансформаторы. Отклонение от согласования в рабочей полосе частот оценивается коэффициентом отражения

При использовании согласующих трансформаторов пересчитанное сопротивление нагрузки в первичную обмотку R ’ 1 = R н n 2 , где п- коэффициент трансформатора, т. е. отношение витков первичной обмотки к вторичной (рис. 2,а).

На рис.2,а имеем: U 2 =U 1 /n; I 2 =I 1 n 2 , тогда R н =U 2 /I 2 = (U 1 /I 1 )n 2

или R’ 1 = U 1 /I 1 =R н n 2 =R г. Отсюда с учетом потерь в трансформаторе коэффициент трансформации:

где n t – КПД трансформатора.

Применение входного и выходного трансформаторов позволяет достаточно просто осуществить переход с симметричной схемы на несимметричную (рис.2, б).

Классы усилительных каскадов

Рабочая точка покоя определяет режим работы каскада или класс усиления. В зависимости от положения рабочей точки различают три класса усиления:

Применяется в оконеч. каскадах большой мощности на избирательную нагрузку.

Усилители мощности.

Это обычно выходные каскады много каскадных усилителей. Они предназначены для увеличения нагрузочной способности и создания нагрузки сигнала заданной мощности. Такие усилители работают в режиме большого сигнала. Их основными параметрами являются: