Исследование характеристик усилительных каскадов на транзисторах и операционных усилителях

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет

Кафедра Электроакустики и ультразвуковой техники

И. Г. Сидоренко, М. М. Шевелько, С. Ю. Шевченко

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по курсу «Электроника и микропроцессорная техника»

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ТРАНЗИСТОРАХ И ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Санкт-Петербург

2011

Исследуются характеристики усилительных каскадов построенных на биполярных транзисторах, а также операционных усилителях при различных режимах включения. Даны теоретические сведения по работе электронных усилителей. Изложены методики выполнения соответствующих лабораторных работ.

Описание лабораторного стенда для исследования транзисторных усилительных каскадов

Лицевая панель лабораторного стенда, включающая его упрощенную схему и необходимые вспомогательные элементы, представлена на рис.1. Любая из исследуемых схем транзисторных усилителей может быть построена подключением к выводам транзистора соответствующих пассивных элементов с помощью переключателей S1...S6. 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 двулучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам. При этом с помощью соответствующих кнопок управления каждый канал осциллографа может независимо подключаться к любой контрольной точке.

Управление переключателями S1...S6 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 двулучевого осциллографа и персональной ЭВМ к лабораторному стенду осуществляется с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда.

На рис.2 дана принципиальная схема используемого в стенде макета позволяющая реализовывать различные режимы работы транзисторного усилителя путём подключения различных элементов.

Принципиальная Схема лабораторного макета для изучения работы транзисторного усилительного каскада

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.Транзистор как линейный усилитель

Биполярные транзисторы широко применяются для усиления электрических сигналов. В этом случае они работают в активном режиме, т. е. когда на переход база-эмиттер подаётся прямое напряжение, а на переход база-коллектор подаётся обратное напряжение. Для обеспечения такого состояния при усилении малых сигналов (режим линейного усиления) необходимы два источника напряжения создающие требуемые постоянные токи (токи смещения) протекающие через транзистор. На практике в большинстве случаев используют один источник напряжения (источник питания), который задаёт посредством дополнительно подключённых резисторов необходимые токи смещения. На рис.3 показана типичная схема подключения транзистора

обеспечивающая его работу в активном режиме. Здесь токи коллектора Iк и базы Iб от источника питания Еп поступают на соответствующие электроды транзистора через резисторы Rк и Rб1. Величина резистор Rб1 задаёт ток базы, ток коллектора Iк=Iб´B, где В - статический коэффициент усиления транзистора по току базы, ток эмиттера представляет собой сумму коллекторного и базового токов т.е Iэ= Iк+ Iб. Протекающие через резисторы токи создают на них падения напряжения и тем самым устанавливают напряжения на электродах транзистора. Таким образом, задаётся рабочая точка (постоянные токи протекающие через транзистор (токи смещения) и напряжения на электродах), которая должна находиться в области активного режима работы транзистора. Установленный в цепи эмиттера резистор Rэ обеспечивает стабилизацию рабочей точки за счёт отрицательной обратной связи по току. На практике установку и контроль рабочей точки удобно осуществлять путём измерения напряжения на эмиттере транзистора. (Поделив это напряжение на величину Rэ получим значение Iэ, которое примерно равно току коллектора Iк). Иногда базовый ток задаётся установкой напряжения на базе с помощью делителя напряжения R_б1 и R_б2.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах могут быть построены по трём схемам включения:

1) с общим эмиттером ОЭ;

2) с общим коллектором ОК;

3) с общей базой ОБ.

Принципиальные схемы этих трёх типов усилительных каскадов представлены на рис1.2абв

Как видно, в усилительном каскаде с ОЭ (рис1.2а) усиливаемый сигнал подается на базу транзистора через разделительный конденсатор С_р1, а снимается с коллектора также через разделительный конденсатор С_р2 (конденсаторы необходимы для того чтобы подключенные к каскаду цепи подающие и снимающие сигнал не повлияли на установленную рабочую точку). Эмиттер транзистора для сигнала является заземлённым посредством конденсатора С_ш (т.е. подсоединён к общей шине, относительно которой подаётся и снимается сигнал). Поэтому такой каскад и носит название «с общим эмиттером». Каскад с ОЭ обеспечивает усиление, как по току, так и по напряжению и обладает наибольшим усилением по мощности. Выходной сигнал в такой схеме будет инверсным по отношению к входному. Это включение называется основным.

В каскаде ОК (см. рис.1.2б) сигнал подаётся на базу транзистора и снимается с эмиттера. Разделительные конденсаторы здесь также необходимы для того, чтобы источник и приёмник сигнала не оказывали влияние на установленную рабочую точку. Коллектор транзистора заземлён посредством конденсатора С_ш. (Так как сигнал снимается с эмиттера, то резистор R_к в таком каскаде может отсутствовать и коллектор транзистора соединён непосредственно с шиной питания). Коэффициент передачи К_u 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 (эмиттерный повторитель). Главным достоинством повторителя напряжения является то, что он обладает высоким входным сопротивлением R_вх и низким выходным R_вых.

В схеме c ОБ (рис1.2в) сигнал подаётся на эмиттер, а база заземляется. Усиленный по напряжению сигнал снимается с коллектора. Выходной ток I_вых приблизительно равен входному I_вх, поэтому каскад рис.1.2,в можно рассматривать как повторитель тока с коэффициентом передачи по току К_I »1. Схема ОБ обладает низким входным и высоким выходным сопротивлениями, отсутствием усиления по току, пониженным по сравнению со схемой ОЭ, усилением по мощности.

При анализе электрических цепей очень часто бывает удобным выделить фрагмент цепи, имеющий две пары зажимов. Поскольку электронные цепи очень часто связаны с обработкой или преобразованием информации, одну пару зажимов обычно называют «входными», а вторую – «выходными». На входные зажимы подаётся исходный сигнал, с выходных снимается преобразованный. Состояния входных и выходных зажимов определяются четырьмя параметрами: напряжением и током во входной (U₁, I₁) и выходной (U₂, I₂) цепях. В этой системе параметров линейный четырёхполюсник описывается системой из двух линейных уравнений, причём два из четырёх параметров состояния являются исходными, а два остальные – определяемыми. Поскольку четырёхполюсник имеет четыре параметра состояния, очевидно, что имеется шесть систем уравнений, выражающих различные пары параметров через два остальных. Коэффициенты этих шести систем уравнений получили традиционное наименование A-, B-, G–, H–, Y– и Z-параметров.

При любой схеме включения транзистор может рассматриваться как четырехполюсник. Так как токи и напряжения в транзисторе в общем случае связаны нелинейными функциональными зависимостями, поэтому четырехполюсник, эквивалентный транзистору, следует рассматривать как активный нелинейный четырехполюсник. Однако для большого класса электронных схем, таких как усилители, называемых линейными, токи и напряжения складываются из сравнительно больших постоянных составляющих определяющих рабочую точку и малых переменных составляющих представляющих сигнал и именно переменные составляющие в этих схемах представляют основной интерес. В пределах малых изменений напряжений и токов статические характеристики транзистора приблизительно являются линейными, поэтому функциональные зависимости переменных составляющих также будут линейными. Для линейных схем характерна работа транзистора в активном режиме.

Когда транзистор работает в линейном режиме, для расчетов удобнее пользоваться не характеристиками, а параметрами. Параметры широко применяются на практике также для контроля качества транзисторов. Характеристические параметры — величины, дающие связь между малыми изменениями токов и напряжений в транзисторе. Таким образом, при усилении малых сигналов для любой из схем включения (ОЭ, ОК, ОБ) транзистор может быть представлен в виде активного линейного четырёхполюсника (рис1.3), на входе которого действует напряжение U₁ и ток I₁, а на выходе напряжение U₂ и ток I₂. Направление токов I₁ и I₂ и напряжений U₁ и U₂ эквивалентного четырехполюсника выбирают так, как показано на рис.1.3 Для биполярных транзисторов чаще всего используют систему уравнений с H – параметрами:

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

- коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкание на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе на входе.

Слова холостой ход и короткое замыкание относятся к сигналам, а не к напряжениям и токам смещения, определяющим рабочую точку. Параметры транзистора зависят от выбранной рабочей точки и могут быть определены из статических характеристик или получены из соответствующей справочной литературы, но при этом всегда указывается значения напряжений и токов смещения, при которых даны эти параметры. Так как в усилительные каскады на транзисторах входят цепи смещения, то параметры четырёхполюсников описывающих такие каскады отличаются от параметров транзисторов. Например, входное сопротивление каскада с ОЭ (рис.1.2а) будет определяться не только величиной параметра h _11э, но и двумя включёнными параллельно сопротивлениями резисторов базового делителя R _б1и R _б2.

Параметры четырёхполюсника, такие как коэффициенты передачи по напряжению и току (K_U и K_I ), а также входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых могут быть вычислены из h- параметров как:

Здесь R- сопротивление нагрузки, r – сопротивление источника сигнала.

2.Частотные свойства транзисторных усилительных каскадов.

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 К₀. 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.

Частотные свойства усилительного устройства также можно описать его нормированной амплитудно-частотной характеристикой (НАЧХ) М(f)=K(f)/K₀, представляющей относительные изменения коэффициента усиления К(f) от частоты.

Область низких частот. В области НЧ уменьшение коэффициента усиления определяется тем, что в усилительном каскаде разделительные и шунтирующие (блокирующие) конденсаторы обладают заметным сопротивлением, в результате чего передаточные свойства каскада имеют заниженное по сравнению с К₀ значение. В исследуемом каскаде (см. рис.схема стенда) в качестве разделительного конденсатора для схем ОЭ и ОК используется С2 (S1- 4, 2, 3) или последовательное соединение С1 и С2 (S1-1). Цепь с конденсатором С_Р , разделяющим на постоянном токе участки цепи с сопротивлениями R1 или R2, можно представить в виде эквивалентной схемы, содержащей генератор сигнального напряжения с выходным сопротивлением R_г (R1 или R2) и последовательно включенные конденсатор С_Р, и резистор R_вх сопротивление которого равно входному сопротивлению усилительного каскада (рис.2.2а).

Коэффициент передачи такой разделительной цепи

его НАЧХ определяется соотношением

где , t_р=Ср(R_г +R_вх) –постоянная времени разделительной цепи.

Дополнительным источником ухудшения усилительных свойств в области НЧ при схеме с ОЭ являются конденсатор С_ш каскада (в схеме стенда С₄), включенный в эмиттерную цепь транзистора (см.рис.2.2,б). Резистор R_э служит для создания отрицательной обратной связи на постоянном токе, благодаря которой в каскаде обеспечивается хорошая стабильность и определенность положения исходной рабочей точки. Конденсатор С_ш шунтирует на СЧ резистор R_э, вследствие чего в этой частотной области отрицательная обратная связь не действует и каскад обладает требуемым высоким усилением К₀ . На низких же частотах шунтирующее действие конденсатора С_ш становится недостаточно эффективным, в результате этого в каскаде возникает отрицательная обратная связь, снижающая коэффициент усиления. Относительное уменьшение М_э усиления К₀ из-за действия указанной обратной связи определяется формулой:

где –постоянная времени нагрузки в цепи эмиттера.

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

М_{Н å} = M _р ´ M _э.

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 С9 (см.рис.стенд).

Область высоких частот. В ВЧ - области снижение усиления обусловлено, с одной стороны, ухудшением усилительных свойств самого транзистора (уменьшением модуля коэффициента передачи тока h₂₁), а с другой – заметным шунтирующим влиянием паразитной емкости С_å (рис.2.3, а) на выходе каскада.

Относительное уменьшение усиления из-за частотной зависимости |h₂₁| для схем ОЭ и ОБ определяется соотношением

(2.4)

где: w_τ=1/τ, t - постоянная времени транзистора.

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

(2.5)

где t _с =С _å ´ R ^¢ _н ( R _н ^¢ – полное активное сопротивление на выходе каскада, включающая выходное сопротивление транзистора 1/ h ₂₂ c включёнными параллельно сопротивлениями цепи смещения и нагрузки) На схеме с ОЭ (рис 2.3) R _н ^¢ =1/(1/ h _22э +1/ R _к +1/ R _н ).

Общее относительное усиление на ВЧ

(2.6)

Коррекцию частотных искажений в области ВЧ, обусловленных уменьшением модуля коэффициента передачи тока |h₂₁| можно осуществить в схемах ОЭ с помощью дополнительного резистора R _э, включенного в эмиттерную цепь транзистора. Резистор R _э создает отрицательную обратную связь, в результате чего постоянная времени эквивалентного включающего R _э транзистора уменьшается в F _оэ раз, где F _оэ=1+( h _21э / h _11э ) R _э , t _f = t / F _оэ. Следует отметить, что введение в схему каскада резистора R _э сопровождается уменьшением коэффициента усиления К₀ в F _оэ раз, К_{0 f}= К₀/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, а также с помощью частотнозависимой отрицательной обратной связи, создаваемой дополнительной цепочкой R _кор С_кор (см.рис.2.3,б). В качестве корректирующей эмиттерной цепочки R _кор С_кор в макете (см.рис.стенда) используются элементы R 6, C 7. При эмиттерной коррекции в каскаде создается отрицательная обратная связь, которая из-за малого значения емкости конденсатора С_кор (С7) 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 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= 1/2 p f _кор С_кор. Наилучшие по равномерности частотные характеристики получаются в каскаде, если элементы R _кор, С_кор удовлетворяют 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 _Г источника сигнала (рис.2.4) образует

фильтр нижних частот с НАЧХ вида

где t _вх =С_вх R _вхэкв – постоянная времени указанного фильтра;

Для схемы ОЭ С_вх » C _бэ +C_к(K₀+1); ОК- С_вх » С_к+С_бэ(1-К₀), где С_бэ– ёмкость перехода база - эмиттер; С_к – емкость коллекторного перехода (для различных марок транзисторов С_к лежит в пределах от десятых долей до единиц пикофарад).

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_э , уменьшающего постоянную времени транзистора и коэффициент К₀ в F _оэ=1+( h _21э / h _11э ) R _э 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.

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

Л АБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1