ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА. Общие сведения

ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

 

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине

«АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА РЭС»

 

Санкт-Петербург

УДК 621.396

 

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Аналоговые устройства РЭС» / Сост. В.Н. Павлов. ГЭТУ. – СПб., 2009. – 12.

 

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО КАСКАДА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ
СПОСОБАХ ВКЛЮЧЕНИЯ УСИЛИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА

Цель работы: изучение принципов построения и работы усилительного каскада; исследование зависимости свойств каскада от способа включения в нем усилительного прибора.

Общие сведения

Биполярный транзистор как трехполюсный элемент может быть подключен к схеме шестью способами. На практике используются только три из них. Эти способы иллюстрирует рис. 1.1, на котором изображены эквивалентные схемы каскадов для переменного тока. Во всех схемах рисунка 1.1. один электрод транзистора является общим для входных 1-1 и выходных 2-2 зажимов, в связи с чем схема рис. 1.1, а называется схемой с общим эмиттером (ОЭ), рис. 1.1, б – с общим коллектором (ОК) и рис. 1.1, в – с общей базой (ОБ).

Рис. 1.1

Схемы рис. 1.1 являются эквивалентными схемами исследуемого лабораторного макета для области основных, так называемых средних частот (СЧ). Каскады организуются таким образом, что в этой области частот оказываются справедливыми следующие допущения:

а. блокирующие и разделительные конденсаторы (С2, С5, С9, С4, С6) имеют пренебрежительно малое сопротивление;

б. проводимости паразитных, шунтирующих пути прохождения сигнала емкостей малы;

в. инерционные свойства транзистора не проявляются, в результате чего Y параметры транзистора выражаются вещественными числами (такие параметры транзистора называют низкочастотными).

При составлении эквивалентных схем для переменного тока источник питания заменяется коротким замыканием.

Наибольшее усиление по мощности обеспечивает включение по схеме ОЭ (см. рис. 1.1, а). Это включение называется основным. При основной схеме имеет место не только наибольшее усиление по мощности, но и, как правило, существенные усиления по напряжению и току. Параметры основной схемы используются в качестве исходных при расчетах.

В каскаде ОК (см. рис. 1.1, б) коэффициент передачи К схемы по напряжению близок к единице, в результате чего выходной сигнал U _вых по значению и фазе повторяет входной U _вх, поэтому каскад ОК называют повторителем напряжения. Главным достоинством повторителя напряжения является то, что они обладают малой входной Y _вх и большой выходной Y _вых проводимостями.

В схеме ОБ выходной ток I _вых приблизительно равен входному I _вх, поэтому каскад рис. 1.1, в можно рассматривать как повторитель тока с коэффициентом передачи по току К _I »1. Схема ОБ обладает большой входной проводимостью, отсутствием усиления по току, пониженным по сравнению со схемой ОЭ, усилением по мощности.

Основные параметры каскада могут быть выражены через Y параметры соответствующих схем включения транзистора с помощью следующих соотношений:

(1.1)

где Y _H ¹ g _H; Y _C – выходная проводимость источника сигнала .

Связь Y –параметров транзистора при его включениях по схемам ОК и ОБ с Y –параметрами схемы ОЭ определяется формулами

(1.2)

Рис. 1.2

Часто активный прибор умышленно или помимо желания разработчика аппаратуры оказывается включенным в схему каскада таким образом, что все три его электрода находятся под переменным потенциалом, как это показано на рис. 1.2.

Схемы рис. 1.2 можно рассматривать как разновидности соответствующих схем рис. 1.1, отличающиеся от последних наличием дополнительного сопротивления Z_{f .} Включение в схему сопротивления Z_f вызывает появление внутрикаскадной отрицательной обратной связи, которая понижает входную проводимость, повышает устойчивость параметров каскада по отношению к воздействию дестабилизирующих факторов, но при этом снижает коэффициент усиления по напряжению. В дальнейшем параметры, соответствующие случаю Z_f ¹0, будем отмечать дополнительным индексом «f ». Относительное влияние отрицательной обратной связи характеризуют ее глубиной: F – числом, показывающим, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления схемы при введении в нее обратной связи.

Сопротивление Z_f удобно рассматривать как составную часть самого транзистора. Y –параметр транзистора с учетом включения в него сопротивления Z_f можно представить в виде соотношений:

(1.3)

где:

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ СВОЙСТВ КАСКАДА И ОСНОВНЫХ
СПОСОБОВ ИХ УЛУЧШЕНИЯ (КОРРЕКЦИИ)

Цель работы: изучение основных факторов, влияющих на ход амплитудно-частотной характеристики каскада; знакомство со схемами частотной коррекции; исследование искажений импульсного сигнала.

Общие сведения

Усилительные свойства каскада зависят от частоты. Эту зависимость обычно рассматривают в трех областях; в области низких частот (НЧ), в области средних частот (СЧ) и в области высоких частот (ВЧ). Типичная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилительного устройства показана на рис. 2.1. Область средних частот является основной рабочей областью. В ней пренебрегают частотной зависимостью коэффициента усиления, считают его равным К_0. Протяженность и положение областей НЧ, СЧ, ВЧ характеризуют с помощью граничных частот f _Н и f _В, которые часто определяют по уровню 0,707 от номинального значения К₀ и обозначают f _Н0.7; f _В0.7, соответственно.

Рис. 2.1

Частотные свойства усилительного устройства также можно описать его нормированной амплитудно-частотной характеристикой (НАЧХ) М(f)=K(f)/K _0, представляющей относительные изменения коэффициента усиления К (f)от частоты.

Область низких частот. В области НЧ непостоянство коэффициента усиления определяется тем, что в ней разделительные и шунтирующие (блокирующие) конденсаторы обладают заметным сопротивлением, в результате чего передаточные свойства каскада имеют заниженное по сравнению с К ₀ значение. В исследуемом каскаде (см. рис. 1.2) в качестве разделительного конденсатора для схем ОЭ и ОК используется С2 (S1 – 4, 2, 3) или последовательное соединение С1 и С2 (S 1 – 1 ). Цепь с конденсатором С_Р, разделяющим на постоянном токе участки цепи с сопротивлениями R 1 и R 2, можно представить в виде эквивалентной схемы, содержащей генератор сигнального тока I _C и последовательно включенные двухполюсники С_Р, R 1и R 2 (рис. 2.2, а).

Коэффициент передачи такой разделительной цепи его НАЧХ определяется соотношением

, (2.1)

где t _{р =} С_р R 2 – постоянная времени разделительной цепи.

Рис. 2.2

Дополнительным источником ухудшения усилительных свойств в области НЧ при схеме с ОЭ являются элементы R 8, С 4 каскада, включенные в эмиттерную цепь транзистора (см. рис. 2.2, а). Резистор R8 служит для создания отрицательной обратной связи на постоянном токе, благодаря которой в каскаде обеспечивается хорошая стабильность и определенность положения исходной рабочей точки. Конденсатор С 4 шунтирует на СЧ резистор R 8,вследствие чего в этой частотной области отрицательная обратная связь не действует и каскад обладает требуемым высоким усилением К ₀. На низких частотах шунтирующее действие конденсатора С становится недостаточно эффективным, в результате этого в каскаде возникает отрицательная обратная связь глубиной F_оэ= 1 +s_эz_э, где z_э – сопротивление параллельного включения элементов R 8, С.

Относительное уменьшение М_f усиления К ₀из-за действия указанной обратной связи определяется формулой

(2.2)

где t_э= С 4 R 8 – постоянная времени нагрузки в цепи эмиттера.

Общее снижение усиления М_{Н å} на НЧ из-за разделительной и эмиттерной цепей

М_{Н å}= М_рМ_f. (2.3)

Коррекция хода частотной характеристики в области НЧ может быть достигнута за счет использования в нагрузке каскада цепи, имеющей повышенное по сравнению СЧ сопротивление, например, дополнительного резистора R 15, зашунтированного конденсатором С 9 (см. рис. 2.2, б).

Область высоких частот. В ВЧ-области снижение усиления обусловлено, с одной стороны, ухудшением усилительных свойств самого транзистора (уменьшением модуля передаточной проводимости Y ₂₁), а с другой – заметным шунтирующим влиянием паразитной емкости С _å(рис. 2.3, а) на выходе каскада.

Рис. 2.3

Относительное уменьшение усиления из-за частотной зависимости |Y₂₁| для схем ОЭ и ОБ определяется соотношением

(2.4)

где t – постоянная времени транзистора.

Шунтирующее действие С _å уменьшает усиление на ВЧ в соответствии со следующей формулой:

(2.5)

где t_с= С _å/ g^¢_н (g^¢_н – полная активная проводимость на выходе каскада, включающая выходную проводимость s ₂₂транзисторов ₌ g^¢_н=g_н+ g ₂₂).

Общее относительное усиление на ВЧ

(2.6)

Коррекцию частотных искажений в области ВЧ, обусловленных уменьшением модуля проводимости Y ₂₁, можно осуществить в схемах ОЭ и ОБ с помощью дополнительного резистора R_f, включенного в эмиттерную цепь транзистора. Резистор R_f создает отрицательную обратную связь, в результате чего постоянная времени эквивалентного включающего R_f транзистора уменьшается в F_оэ раз, где F_оэ =1+ S_оэR_f, t_f=t/F_оэ. Следует отметить, что введение в схему каскада резистора R_f сопровождается уменьшением коэффициента усиления К ₀ в F_оэ раз, К _{0 f} = К ₀/ F_оэ.

Искажения из-за паразитной емкости С_å могут быть уменьшены за счет введения в нагрузку каскадов (см. рис. 2.3, а) дополнительной индуктивности L 1(см. рис. 2.3, б), а также с помощью частотнозависимой отрицательной обратной связи, создаваемой дополнительной цепочкой R _кор С _кор (см. рис. 2.3, в). В качестве корректирующей эмиттерной цепочки R _кор С _кор в макете (см. рис. 1.2) используются элементы R 6, C 7.

При эмиттерной коррекции в каскаде создается отрицательная обратная связь, которая из-за малого значения емкости конденсатора С _кор (С 7 ) создает заметное снижение усиления на СЧ. В области ВЧ конденсатор С _кор начинает проявлять заметное шунтирующее влияние на резистор R _кор (R 6 ), уменьшающее глубину обратной связи. Благодаря этому происходит улучшение передаточных свойств эквивалентного транзистора по сравнению со средними частотами. Таким образом, эквивалентный включающий цепочку R _кор С _кор транзистор имеет подъем НАЧХ M _{½ Y 21}½ в области ВЧ.

При рассмотрении АЧХ каскада за начало корректирующего действия цепочки R _кор С _кор можно принять частоту f _кор, на которой выполняется условие R _{кор =} 1/2p f _кор С _кор. Наилучшие по равномерности частотные характеристики получаются в каскаде, если элементы R _кор, С _корудовлетворяют условию t _кор =t_с, где t _кор= R _кор С _кор.

Дополнительным источником спада амплитудно-частотной характеристики каскада в области ВЧ может являться его входная емкость С _вх, которая совместно с сопротивлением R_с источника сигнала (рис.2.4) образует фильтр нижних частот с НАЧХ вида

(2.7)

где t _вх =С _вх/ g _вхэкв – постоянная времени указанного фильтра;

Рис. 2.4

Для схемы ОЭ С_вх»t/r_б+C_kK ₀; ОК – С_вх»С_к+t (1– К ₀) r_б ^–1, где r_б – сопротивление базовой области транзистора (r_б» 100 Ом); С_к –емкость коллекторного перехода (С_к» 1.5 пФ).

С точки зрения уменьшения спада НАЧХ М_вх в области ВЧ, желательно использовать такие схемы включения, при которых С_вх мало. Наименьшее значение С_вх обеспечивает включение ОК. Снижению С_вх может способствовать введение в каскад ОЭ сопротивление обратной связи R_f, уменьшающего постоянную времени транзистора и коэффициент К ₀ в F_оэ=1+S_эR_f раз. Малые частотные искажения во входной цепи имеют место также при работе от источников сигнала с малым значением сопротивления R_с, например, когда в качестве источника сигнала используется схема ОК.

Существенные частотные искажения во входной цепи наблюдаются в случаях использования включения ОЭ при больших значениях К ₀, а также схемы эмиттерной ВЧ коррекции. В последнем случае частотно-зависимый характер обратной связи вызывает уменьшение ее глубины на высоких частотах, в результате чего на этих частотах происходит дополнительное повышение входной проводимости транзистора, приводящее к понижению коэффициента передачи входной цепи.

Частотные искажения вызывают нарушение соотношения между спектральными составляющими сигнала, что обычно ведет к искажению формы усиливаемых сигналов. Эти искажения не связаны с нелинейностью вольтамперных характеристик, не приводит к появлению новых составляющих в спектре; в связи с этим указанные искажения часто называют линейными.

Рис. 2.5

Об искажениях импульсных сигналов в усилительной схеме можно судить по ее переходной характеристике и, в первую очередь, по длительности фронта t_j и величине спада D вершины переходной характеристики за фиксированное время t_u (рис. 2.5).

Параметры t_j и D переходной характеристики связаны с параметрами f_{В 0.7} и f_{Н 0.7} амплитудно-частотной характеристики соотношениями

t _ф»0.35/ f_{В 0.7}; D=2π f_{Н 0.7} t_u.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лицевая панель лабораторного стенда, включающая его упрощенную схему и необходимые вспомогательные элементы, представлена на рис. 3.1. Любая из исследуемых схем транзисторных усилителей может быть построена подключением к выводам транзистора соответствующих пассивных элементов с помощью переключателей S 1... S 6. Лабораторный стенд помимо исследуемого устройства включает в себя генератор входного сигнала и мультиметр, позволяющий измерять напряжения в контрольных точках каждого из исследуемых усилителей.

Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и ее значение. Генератор входного сигнала может формировать синусоидальный и треугольный сигналы и периодическую последовательность прямоугольных и пилообразных импульсов. Частота сигнала может дискретно изменяться с помощью соответствующих кнопок, расположенных на лицевой панели лабораторного стенда. Амплитуда сигнала дискретно регулируется с помощью соответствующего аттенюатора. В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам. При этом с помощью соответствующих кнопок управления каждый канал осциллографа может независимо подключаться к любой контрольной точке.

Управление переключателями S 1... S 6 также осуществляется с помощью кнопок управления, расположенных в нижней части лицевой панели стенда, путем однократного нажатия на кнопку и удержания ее в течение 0.5 сек. Текущее положение любого переключателя индицируется зажиганием соответствующего светодиода.

Необходимо отметить, что с целью обеспечения возможности наблюдения влияния инерционных свойств транзистора на соответствующие характеристики различных усилительных каскадов при сравнительно низких частотах входного сигнала межэлектродные емкости транзистора увеличены в 1000 раз по сравнению с их реальными значениями.

Подключение двухлучевого осциллографа и персональной ЭВМ к лабораторному стенду осуществляется с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N1

Исследование транзисторного каскада при различных способах включения усилительного прибора.

Цели работы:

1. Изучение принципов построения и работы усилительного каскада.

2. Исследование зависимости свойств каскада от способа включения в нем усилительного прибора.

3. Приобретение практических навыков построения схем усилительных каскадов.