WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Кафедра электроники и электротехники Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике усилитель с общим эмиттером.

Москва 2006 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА УСИЛИТЕЛЬ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ Целью лабораторной работы является исследование переходных характеристик усилительного каскада с общим эмиттером и влияния на них корректирующих цепей.

Схема усилителя с общим эмиттером наиболее часто используется на практике, т.к. она обеспечивает усиление по напряжению и по току, хорошо каскадируется, т.е. обеспечивает согласование входного сопротивления последующего каскада с выходным сопротивлением предыдущего каскада.

Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером представлена на рис.

I. В этой схеме используется один источник питания EK. Питание базовой цепи осуществляется от источника EK с помощью делителя R1, R2. Резистор в цепи эмиттера, R2 осуществляет отрицательную обратную связь по постоянному току, тем самым обеспечивает стабильность статического режима каскада. Блокирующий конденсатор CЭ устраняет обратную связь для переменной составляющей тока. Конденсаторы C1 и C2 разделяют по постоянному току транзисторный каскад, цепи управления и нагрузки.

Одним из основных показателей усилительного каскада является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. Форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала из-за линейных и нелинейных искажений, вносимых усилителем.

Линейные искажения возникают из-за реактивных элементов в схеме и определяются скоростью изменения сигнала во времени. Если входной сигнал имеет вид:

Uвх(t) = Uвхm sin(t), то форма сигнала на выходе (при отсутствии нелинейных искажений) остается неизменной на любых частотах, изменяются лишь амплитуда и фаза сигнала. Если входной сигнал имеет сложную форму, то вследствие линейных искажений форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала, но сигнал на выходе содержит лишь те гармоники, которые есть в спектре входного сигнала.

Линейные искажения при синусоидальном входном сигнале оцениваются нижней и верхней граничными частотами. При граничной частоте модуль коэффициента усиления ku ki K уменьшается до значений и, где Ku и Ku - модуль соответствующего 2 коэффициента усиления при средней частоте.

Для оценки линейных искажений, возникающих при передаче импульсных сигналов, пользуются параметрами переходной характеристик усилителя: в области малых времен - временем нарастания фронта и амплитудой выброса выходного сигнала над его установившимся значением, в области больших времен - относительным спадом плоской вершины выходного импульса.

Нелинейные искажения обусловлены нелинейностью входных и выходных характеристик транзистора и связаны с величиной амплитуды сигнала. Уровень нелинейных искажений зависит от исходного режима транзистора (т.е. от начального положения раоочей точки на нагрузочной прямой, построенной на статических выходных характеристиках транзистора), а также от величины внутреннего сопротивления источника сигнала. Для уменьшения нелинейных искажений начальное положение рабочей точки выбирается в середине активной области характеристик транзистора. Нелинейные искажения можно охарактеризовать с помощью амплитудной характеристики (рис.2). По этой характеристике определяется величина коэффициента относительного отклонения от линейной Uвыхлин -Uвых характеристики: ни = Uвых Расчет усилителя сводится к расчету режима транзистора.

(т.е. к определению постоянных составляющих токов и напряжений) и величин усиливаемых сигналов (переменных составляющих токов и напряжений.) Статический режим Для расчета схемы по постоянному току пользуются следующими уравнениями.

R2 R1 REk - Iб = Uбэ + IэRэ R1 + R2 R1 + RIэ = Iб + Iк Iк = Bст + Iб Ek = IкRк + Uкэ + IэRэ Iк (Rк + Rэ) + Uкэ Малосигнальные параметры Определение характеристик и параметров усилителя в области средних частот производится с помощью эквивалентной схемы для переменных составляющих токов и напряжений (рис. 3). На этом рисунке эквивалентное сопротивление R1 RRб = R1 + RРассмотрим параметры и характеристики каскада в области средних частот, предполагая, что емкости C1, C2, Cэ являются бесконечно большими, а транзистор безынерционным прибором, Uбэ 1. Входное сопротивление определяется отношением Rвх = где Uбэ -изменение iб напряжения база-эмиттер при воздействии сигнала.

Rвх rб + (1+ )rэ Если учесть шунтирующее действие делителя в цепи базы, то входное сопротивление каскада можно определить как Rвых = Rб || Rвх 2. Выходное сопротивление каскада можно найти, задавая некоторую э.д.с. на выходе при отключенной нагрузке RН и Ur = rк rэ Rвых = Rк || (1+ ), где = 1+ rэ + rб + Rб || Rг 3. Коэффициент усиления по напряжению определяется отношением напряжения на нагрузке UН к напряжению холостого хода входного генератора UГ т.е.

UН iK RKН RKН Rб RK RН KU = =, где RKН = UГ UГ RГ + Rб || Rвх Rб + Rвх RK + RН 4. Коэффициент усиления по току определяется отношением тока нагрузки iН к току короткого замыкания входного генератора, т.е.

iН iK RК RК RК RБ RГ Ki = = iГ UГ RК + RН RК + RН RБ + RВХ RГ + RБ || RВХ Искажения вершины импульса В области больших времен (низших частот) возникают линейные искажения усиливаемых сигналов, обусловленные действием разделительных конденсаторов C1 и C2 и блокирующего конденсатора в цепи эмиттера CЭ. В случае импульсного входного сигнала заряд этих конденсаторов вызывает спад вершины выходного импульса. Определить влияние конденсатора C1 можно с помощы эквивалентной схемы для входной цепи каскада с общим эмиттером в области низших частот (рис. 4а). В момент поступления входного прямоугольного импульса напряжения (длительность tu ) выходное напряжение скачком (если не учитывать линейных искажений в области малых времен) изменяется на величину Uвых _ m (рис. 5).

UГ -UСПо мере заряда емкости C1 входной ток iвх = спадает по экспоненте, RГ + RВХ _ K определяемой постоянной времени заряда емкости C1. Пропорционально входному току изменяется ток базы и ток коллектора, а следовательно, спадает и вершина выходного импульса напряжения. Относительный спад плоской вершины tu Uвых Uвых (0) -Uвых (tu ) CC1 == =1- e, где C1 = C1 (RГ + RВЫХ _ K ) Uвых _ m Uвых _ m При достаточно коротком импульсе tu 0, 2C1, разложив экспоненту в ряд, можно tU воспользоваться приближенной формулойC1.

CПосле окончания импульса происходит разряд конденсатора C1 (с постоянной времени C1 в результате которого образуется выброс выходного напряжения, амплитуда выброса равна величине спада вершины Uвых.

Влияние равделительного конденсатора C2 можно проанализировать с помощью эквивалентной схемы для выходной цепи каскада в области низших частот (или больших времен) (рис. 4б), где усилитель представлен в виде источника тока ikj с внутренним сопротивлением RВЫХ _ K. Заряд емкости C2 во время действия входного импульса приводит к непосредственному уменьшению тока нагрузки, а следовательно, и выходного tU C напряжения. Относительный спад вершины импульса, вызванный зарядом C2, С 2 = 1- e, tU где C 2 = C2(RВЫХ _ K + RН ) относительный спад С C Влияние блокирующего конденсатора CЭ сводится к следующему. Во время действия входного итлпульса напряжение на емкости CЭ изменяется с постоянной временя заряда CЭ = CЭ (RВЫХ _ Э || RЭ ), где RВЫХ _ Э - выходное сопротивление каскада со стороны эмиттера.

Uб -Uэ По мере изменения напряжения на конденсаторе CЭ уменьшается ток базы iб =, и, Rвх следовательно, убывают ток коллектора и выходное напряжение. RВЫХ _ Э можно определить (воспользовавшись эквивалентной схемой рис.6), задавая ток эмиттера iЭ (при UГ = 0 ) и UЭ rб + RГ || rб измеряя напряжение на эмиттере UЭ : RВЫХ _ Э = rЭ + iЭ 1+ Для коротких импульсов по сравнению с СЭ относительней спад вершины выходного tU импульса, вызванный влиянием CЭ определяется как С C Полный спад вершины импульса (с учетом C1, C2 и CЭ ) можно определить как 1 1 1 tu = tu ( + + ) =, где Н _ ЭКВ - эквивалентная постоянная времени спада C1 C 2 CЭ Н _ ЭКВ вершины.

При усилении синусоидальных сигналов нижнюю граничную частоту определяют по рриближенной формуле Н _ ГР Н _ ЭКВ Искажения фронта импульса Линейные искажения в области малых времен (высших частот) обусловлены инерционностью транзистора, которая определяется частотной зависимостью и наличием емкости коллекторного перехода CK. Линейные искажения можно анализировать с помощью эквивалентной схемы каскада ОЭ в области высших частот (рис. 7), в которой инерционность транзистора отражается комплексным коэффициентом передачи тока 6азы = где постоянная времени коэффициента передачи тока базы.

1+ j rK Сопротивление и емкость CK = 1+ - также комплексные величины. Анализ этой 1+ схемы показышет, что постоянная времени каскада Б области малых времен или высших частот определяется следующим выражением:

CK (1+ ) RКН CН + + ;

B 1+ j 1+ а длительность фронта на выходе усилителя tН = 2, В практических схемах емкость нагрузки оказывает несущестченное влияние.

Коррекция вершины и фронта импульса Для уменьшения искажений плоской вершины импульса применяется коррекция в области больших времен, чаще всего для коррекции вершины используются RC - фильтры, которые включаются в коллекторную цепь каскада (рис. 8). Корректирующая цепочка RФ, СФ обеспечивает увеличение сопротивления коллекторной цепи в области больших времен (низших частот), следовательно, и увеличение усиления в этой области, которое компенсирует (при оптимальней коррекции - почти полностью) спад усиления, вызванный разделительными и блокирующими конденсаторами. Условие оптимальной коррекции вершины онределяется следующей формулой:

1 1 1 СФ RK Н _ ЭКВ, т.е. + + СФRК C1 C 2 CЭ Если СФRК <НЭКВ, т.е. заряд емкости СФ идет с большей скоростью, чем при оптимальной коррекции, то возникает перекоррекция, что проявляется в подъеме плоской вершины (или амплитудно-частотной характеристики в области низших частот). При СФRК < НЭКВ имеет место недокоррекция.

Коррекцию характеристик усилителя в области малых времен осуществляют при помощи индуктивных цепей или комплексных обратных связей. Охват усилителя обратной связью по току с помощью включения в цепь эмиттера небольшого сопротивления R0 уменьшает время нарастания фронта, но одновременно уменьшает и коэффициент усиления причем в большей степени, чем время. Нарастания tН, следовательно, уменьшается и добротность Ku каскада D =.

tН RKН В этом случае Ku = RГ || R + r + (1+ )(R0 + rЭ ) + СК (1+ )(RКН + R0) tН = 2, 2 CН RКН + rЭ + R 1+ RГ || R + r + rЭ + R Чтобы сохранить добротность каскада, элемент обратной связи шунтируют емкостью Снебольшой величины. Включение емкости С0 приводит к замедленному нарастанию сигнала обратной связи, следовательно, коэффициент усиления в начальный момент имеет ту же величину, что и в усилителе без обратной связи; это приводит к быстрому нарастанию франта импульса. Слишком большое запаздывание сигнала обратной связи приводит к образованию выбросов выходного тока и напряжения. Величина оптимальной корректирующей емкости С0, не дающей выбросов, рассчитывается по формуле:

R0C0 + CК (RКН + r + R || RГ ).

При этой величине емкости С0 время нарастания определяется формулой r + rЭ + R || RГ tН = 2, 2 + СК (1+ )RКН и добротность каскада остается r + R || RГ + (1+ )(rЭ + R0) равной добротности каскада при R0 = 0.

Коррекцию в области малых времен и высших частот, помимо обратной связи, можно осуществить индуктивность, включенной в цепь коллектора (рис. 8). Сведя все причины, обусловливающие линейные искажения в области малых времен (высших частот) и в CН (1+ ) + СК (1+ ) + эквивалентной емкости CЭКВ =- =, RK 1+ получаем оптимальную величину корректирующей индуктивности, при которой отсутствует выброс на вершине импульса LОПТ = 0, 25 RК СЭКВ, или LОПТ = 0, 25 RK в. При L > LОПТ можно получить большее уменьшение tН, но на вершине импульса появится выброс; так при L =1, 4 LОПТ выброс достигает 1%, при L = 2 LОПТ выброс равен 6,7%, а tН уменьшается соответственно в 1,6 раза и в 1,9 раза. При работе на низкоомную нагрузку эффективность индуктивной коррекции резко снижается.

Рисунок Рисунок Рисунок Рисунок Рисунок Рисунок Рисунок Схема стенда Рисунок VT1 – KT 315 (А + Д) C1 -5,0*10В R1 – 2,2к C2, C3 – 0,R2 -6,2к C4 – 1,0*10 В R3 -200 C5 – 10,0*10 В R4 -470 C6 – 50,0*10 В R5 -R6 - Рабочее задание 1. Исследование статического режима усилителя Собрать схему рис. 9. (второй вход осциллографа включить в положение Осц 2) На вход схемы подать от генератора синусоидальных сигналов напряжение максимальной амплитуды, при которой на выходе усилителя отсутствуют нелинейные искажения с частотой f =1кГц. Вращением ручек регулируемого источника питания и регулятора уровня выходного напряжения (на генераторе синусоидальных сигналов) добиться максимальной неискаженной амплитуды выходного сигнала. Снять показания с амперметра.

2. Определение малосигнальных параметров усилителя Не изменяя входного сигнала и напряжения на генераторе измерить напряжения UВХ и UВЫХ, переключить луч осциллографа в положение Осц 2' и измерить напряжение Uб.

Рассчитать коэффициент усиления и входное сопротивление по формулам:

Uвых Uб KU =, Rвх = R, R = 1[кОм] Uвх Uвх -Uб 3. Исследование свойств усилительного каскада Собрать схему рис. 10. (второй вход осциллографа включить в положение Осц 2') На вход схемы подать от генератора синусоидальных сигналов напряжение максимальной амплитуды, при которой на выходе усилителя отсутствуют нелинейные искажения с частотой f =10кГц. Увеличивая частоту входного сигнала добиться падения амплитуды до 0,7 от начального уровня. Записать значение частоты.

Повторить измерения для всех комбинаций включённых емкостей (В итоге должно получится 8 значений частот).

4. Измерение спада плоской части импульса Собрать схему рис. 10. (Ключом К1 включить емкость С2, а ключём К2 включить емкость С6, а второй вход осциллографа включить в положение Осц 2). Переключить генератор синусоидальных сигналов в режим подачи импульсных сигналов с частотой f =10кГц.

Измерить Uвых и Uвых _ m (рис. 5). Вычислить значение относительного спада по формуле:

Uвых = Uвых _ m Повторить измерения и расчёты для емкости С1.

Рисунок Рисунок











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.