Исследование RC-усилителя на биполярных транзисторах

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

Цель работы: изучение взаимосвязи между каскадами RC-усилителя, его амплитудных и частотных характеристик.

Краткие теоретические сведения -усилитель используется для усиления переменного напряжения. Эффективное усиление напряжения достигается при включении транзистора по схеме с общим эмиттером, рис.1.

 

Рис. 1. Схема RC-усилительного каскада собранного по схеме с общим эмиттером.

 

Для получения необходимого режима работы на базу транзистора относительно эмиттера нужно подать напряжение смещения. Это смещение получают от источника коллекторного питания Ек через делитель напряжения R1R2. Для стабилизации положения рабочей точки транзистора при изменении температуры и при использовании транзисторов с разбросом коэффициента усиления тока h _21Э в данной схеме применена эмиттерная стабилизация. Например, при повышении температуры возрастает коллекторный ток. При этом увеличивается и ток, протекающий в цепи эмиттера, поэтому увеличится падение напряжения на резисторе R_Э. Напряжение база-общая точка схемы остается практически неизменным и равным.

    (1)

 

Поэтому уменьшается напряжение смещения между базой и эмиттером, что вызывает уменьшение тока базы и возвращение тока покоя коллектора к прежнему значению. Для устранения обратной связи в рабочей полосе частот, снижающей усиление сигнала, параллельно R_Э включают конденсатор С_Э.

Разделительный конденсатор С_РГ предотвращает попадание на базу постоянного напряжения источника сигнала и пропускает переменное напряжение, С_Р пропускает переменное напряжение на нагрузку, защищая её от постоянного напряжения. Усиленный сигнал снимается с резистора R_К, через него также постоянное напряжение подается на коллектор.

Анализ работы усилителя производится с помощью эквивалентных схем на переменном токе, при этом предполагается, что на переменном токе конденсатор С_Ф закорачивает источник питания Е_П, а С_Э резистор R _Э.

Транзистор характеризуется следующими параметрами: h _11Э - входное сопротивление транзистора; h _22Э - выходная проводимость транзистора; h _21Э - коэффициент усиления тока. На полной эквивалентной схеме каскада (рис.2) транзистор заменяется эквивалентным четырёхполюсником: генератором тока I _Г = с выходным сопротивлением R_i = .

 

Рис. 2. Полная эквивалентная схема RC-усилительного каскада,

 

где C_ВЫХ - выходная емкость транзистора;

С_М- емкость монтажа;

С_Н - емкость нагрузки (входная ёмкость следующего каскада);

R _Г - сопротивление источника сигнала;

R_Н - сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада).

На средних частотах емкостями можно пренебречь и эквивалентная схема принимает вид, изображенный на рис.3.

 

 

Рис. 3. Эквивалентная схема в области средних частот усилительного RC- каскада

 

Параметры усиленного каскада на средних частотах:

входное сопротивление сигнала

 

, (2)

где  - сопротивление делителя. (3)

 

Выходное сопротивление усилителя

 

(4)

 

Коэффициент усиления напряжения

,  (5)

где ,   (6)

 

Сквозной коэффициент усиления

 

К_Е = К_ПВХК_0,        (7)

 

где К_ПВХ - коэффициент передачи входной цепи

 

     (8)

 

На низких частотах эквивалентная схема выходной цепи каскада имеет вид, изображённый на рис.4

 

Рис. 4. Эквивалентная схема выходной цепи усилителя в области низких частот

 

Зависимость коэффициента усиления от частоты имеет следующий вид

 

(9)

На верхних частотах эквивалентная схема принимает вид, рис.5.

 

Рис. 5. Эквивалентная схема выходной цепи усилителя в области высоких частот, где С ₀ = С_ВЫХ + С_М + С_Н

 

Коэффициент усиления в области верхних частот, без учёта частотных свойств транзистора

 

   (10)

 

Обобщённая амплитудно-частотная характеристика усилителя имеет следующий вид (рис.6).

 

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика RC-усилителя,

 

где

 - нижняя граничная частота усилителя,

- верхняя граничная частота усилителя.

Использование в усилителях каскадов с общим коллектором, имеющих большое входное и малое выходное сопротивление, позволяет согласовывать различные транзисторные каскады. Так как данные каскады не изменяют полярности подаваемого на них сигнала, а их коэффициент усиления близок к единице, то их называют повторителями. Схема эмиттерного повторителя приведена на рис.7.

 

Рис. 7. Схема эмиттерного повторителя

 

Параметрами эмиттерного повторителя являются:

входное сопротивление усилителя

_вх =R'_вхR_1,2/(R'_вх+R_1,2), (11)

где R'_вх=h_11э+(1+h_21э) ; (12)

 

выходное сопротивление усилителя

 

1/Z_вых = h_22э +(1+h_21э) / (R_ист+h_11э), (13)

где R_ист = R_ГR_1,2 / (R_г+R_1,2);

 

Коэффициент передачи напряжения

 

К = 1- h_11э / R'_вх (14)

 

Величина К меньше единицы, но, как правило, близка к ней. Малая входная емкость повторителя и низкое выходное сопротивление обеспечивают широкую полосу пропускания данного каскада.

 

Домашнее задание

 

. Ознакомьтесь в лаборатории с макетом усилителя и запишите номиналы всех элементов схемы.

. Для напряжения питания E_П = +12В, U _КЭ1=U _КЭ3 = +5В постройте на семействе выходных характеристик транзистора линии нагрузки по постоянному току для первого и третьего усилительных каскадов и определите h-параметры в рабочей точке.

. Рассчитайте входное и выходное сопротивление первого каскада.

. Рассчитайте входное и выходное сопротивление эмиттерного повторителя.

. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения схемы, когда первый усилительный каскад соединён с третьим, а эмиттерный повторитель выключен

. Рассчитайте коэффициент усиления схемы с включением между первым и третьим каскадами эмиттерного повторителя.

. Рассчитайте нижнюю и верхнюю граничные частоты первого усилительного каскада, если сопротивлением нагрузки является входное сопротивление эмиттерного повторителя. Транзистор КТ315 характеризуется емкостью коллекторного перехода 7 пФ.