МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра “Электротехника”
Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах
Методические указания по выполнению учебно‑исследовательской лабораторной работы № 41 по дисциплине «Электротехника и электроника»
Ростов-на-Дону
2001
Составители: к. т.н., доц.
старший преподаватель
студент гр. Т-II-2
студент гр. Т-II-2
УДК. 621.375.132.4.(076.5)
Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Методические указания по выполнению учебно-исследовательской лабораторной работы № 41 по дисциплине “Электротехника, электроника ”/ ДГТУ. Ростов-на-Дону, 2001, 12 с.
Методические указания предназначены для студентов дневного отделения, изучающих дисциплину «Электротехника и электроника», специальностей 120100; 220400; 072000; 070200.
Печатается по решению методической комиссии факультета “Автоматизация и информатика”
Научный редактор: к. т.н., доц.
Рецензент к. т.н., доц. (РГУ ПС, г. Ростов-на-Дону)
Ó – Издательский центр ДГТУ, 2001
1. Цель работы
1.1. Овладеть навыками расчета и экспериментального определения параметров усилительных каскадов, выполненных по схемам с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).
1.2. Приобрести практические навыки по снятию амплитудных характеристик усилителей.
2. Содержание работы
2.1. Расчет и экспериментальное определение параметров усилительного каскада, включенного:
- по схеме с ОЭ без отрицательной обратной связи (ООС);
- по схеме с ОЭ с последовательной ООС по току;
- по схеме с ОЭ без ООС, работающей в режиме класса В;
- по схеме с ОК.
2.2. Снятие и построение амплитудных характеристик исследуемых усилительных каскадов.
3. Особенности правил и мер техники безопасности при проведении экспериментальных исследований
3.1. Земельные зажимы вольтметра и осциллографа соедините с земельным зажимом лабораторного стенда ЭС-4. Следите за правильным выбором пределов измерения вольтметра и осциллографа.
3.3. Выполняйте общие правила техники безопасности при работе в электротехнических лабораториях.
4. Методические указания по подготовке к выполнению работы
4.1. Изучите тему «Усилители» ([1] с. 100÷108; [2] с. 121÷129).
4.2. При изучении темы усвойте принцип действия усилителя, назначение элементов в его схеме, зависимость формы выходного сигнала от режима работы, вид основных характеристик и основные параметры, влияние отрицательных обратных связей на параметры усилителя.
4.3. Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала без искажения его формы.
Для того, чтобы усиление сигнала происходило без искажения формы, необходимо выбрать рабочую точку в режиме покоя (состояние каскада при отсутствии входного сигнала UВХ = 0) приблизительно в середине линии нагрузки (точка А – см. рис. 6 лаб. работы № 40), т. е. с помощью делителя напряжения на резисторах RБ1, RБ2 задать напряжение UБП (и, следовательно, ток базы покоя IБП). Ток, протекающий через эти резисторы и равный 
, должен быть намного больше IБП. В этом случае UБП и URб2 практически неизменны, так как не зависят от IБП. Входное переменное напряжение UВХ складывается с UБП, и на базу транзистора поступает их сумма. Под действием UВХ рабочая точка имеет возможность при положительной полярности UВХ смещаться из положения А к положению m, а при отрицательной полярности – из положения А к положению N. Выходное напряжение UВЫХ будет также изменяться от значения UКП до UKmin или UKmax в зависимости от полярности UВХ, т. е. будет содержать постоянную составляющую UКП и переменную, повторяющую по форме входной сигнал. Сопротивление RK задает линию нагрузки, причем IКП выбирается несколько бóльшим, чем 
.
Для исключения постоянной составляющей UКП в выходном сигнале нагрузку RH подключают через разделительный конденсатор С2 (ХС2 << Rн), а чтобы не изменять положение рабочей точки А в режиме покоя (то есть не изменять UБП), источник входного сигнала изолирован по постоянному току от базы транзистора разделительным конденсатором С1 (см. рис. 1 табл. 5).
Существенным недостатком транзисторных усилительных каскадов является зависимость положения рабочей точки от температуры. Для повышения температурной стабильности усилителя в цепь эмиттера включают резистор RЭ, шунтированный конденсатором СЭ (см. рис. 3 табл.5).
В режиме покоя через резистор RЭ протекает постоянный ток IЭП≈ IКП, создающий падение напряжения 
. Это напряжение через резистор RБ2 прикладывается к переходу «эмиттер-база» в обратном направлении: 
. При повышении температуры IЭП и IКП возрастают (примерно в десять раз на каждые 60°С), что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе RЭ, которое стремится запереть транзистор, т. е. уменьшить IКП приближая его к первоначальному значению. При понижении температуры IЭП и IКП начинают уменьшаться, URэ уменьшается, UБП возрастает, транзистор приоткрывается, увеличивая тем самым IКП практически до первоначальной величины. В результате влияние температуры на положение рабочей точки транзистора значительно ослабляется.
Чтобы данная ООС создавалась только для постоянной составляющей тока эмиттера и не создавалась для полезной переменной составляющей, введен конденсатор СЭ достаточно большой ёмкости. Для усиливаемого сигнала переменного тока сопротивление 
, и этот сигнал практически не создает падения напряжения на RЭ то есть не воздействует обратно на вход транзистора.
5. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка включает в себя стенд ЭС-4 для исследования усилительных каскадов на биполярном транзисторе, позволяющий собрать схемы с ОЭ или с ОК, многопредельные электронные вольтметры и осциллограф.
6. Последовательность выполнения работы
6.1. Подготовка стенда для исследований.
6.1.1. Подключите электронные вольтметры и осциллограф к стенду, при этом «земляные» провода вольтметров и осциллографа (^) подключается к «земле» стенда, а потенциальные – к гнездам базы и коллектора транзистора.
6.1.2. Установите переключатель В12 в положение «UВХ≈» (см. схему на передней панели стенда).
6.1.3. Потенциометры «Рег. напряжения UВХ» и «Рег. напряжения ЕК» выведите, повернув рукоятки до упора против часовой стрелки.
6.1.4. Включите питание стенда ЭС-4 и электронных вольтметров и дайте прогреться в течение 1÷3 минут.
6.1.5. Установите «Рег. напряжения ЕК» величину ЕК=15 В.
6.2. Исследование выходных сигналов усилительных каскадов.
6.2.1. Отключите нагрузку RH (см. рис. 1 табл.5), установив тумблер В16 в положение «выкл.»
6.2.2. Устанавливайте потенциометром «Рег. напряжения UВХ» такое значение UВХ, чтобы синусоида выходного сигнала на экране осциллографа имела срезы и в верхней, и в нижней части (рис.1); измеряйте U + ВЫХ. MAX и U – ВЫХ. MAX по экрану осциллографа. Здесь линия 0‑0/ – линия развёртки осциллографа при отсутствии входного сигнала. Переключатель вида входа осциллографа установите в положение «@» (открытый вход). При проведении измерений ручка плавной регулировки усиления осциллографа (масштаб по оси У) должна находиться в крайнем правом положении. Результаты измерения заносите в табл. 4.
6.2.3. Потенциометром «Рег. напряжения UВХ» установите значение UВХ таким, чтобы UВЫХ, измеренное вольтметром PV2, лежало в пределах (1,0÷1,3) В. Измерьте величины UВХ, IВХ и UВЫХ, и результаты измерения занесите в таблицу 1.
6.2.4. Не изменяя значения UВХ, обеспечьте переключателями В8, В10 сопротивление RH=4,7 кОм. Включите нагрузку, установив тумблер В16 в положение «вкл.». Измерьте вольтметром PV2 новое значение UВЫХ и результат занесите в табл. 1.
При проведении измерений UВЫХ (п. п. 6.2.3 и 6.2.4) установите предел измерения вольтметра PV2, равным 2В, как обеспечивающий наибольшую точность измерения напряжения.
Таблица 1
Сравнение сигналов транзисторных усилительных каскадов
Измеряемая величина Схема каскада | UВХ | IВХ | UВЫХ при RH=∞ | U/ВЫХ при RH=4,7 кОм |
мВ | мкА | В | B | |
с ОЭ без ООС | ||||
с ОЭ с ООС по току | ||||
с ОЭ с ООСпо току и СЭ ≠ 0 | ||||
с ОК |
6.3. Снятие амплитудных характеристик усилительных каскадов: UВЫХ = f(UВХ). При снятии амплитудной характеристики учитывайте, что линейное усиление происходит до тех пор, пока форма выходного сигнала UВЫХ повторяет форму входного сигнала UВХ. Появление искажений формы UВЫХ (например, срезов на синусоиде, см рис. 1) означает окончание линейного участка амплитудной характеристики.
6.3.1. С помощью «Рег. напряжения UВХ» определите максимально возможное действующее значение UВХ, при котором еще происходит линейное усиление (т. е. выходной сигнал на экране осциллографа не имеет искажений синусоидальной формы), измерьте его вольтметром PV1 и результат занесите в табл. 2 или табл. 3 в ячейку, обозначенную «UВХ= max= …». Соответствующее выходное напряжение UВЫХ также занесите в табл. 2 или табл. 3.
6.3.2. Потенциометром «Рег. напряжения UВХ» устанавливайте значения UВХ по вольтметру PV1, вольтметром PV2 измеряйте соответствующие им значения UВЫХ. Результаты измерений занесите в табл. 2 или табл. 3.
Таблица 2
Амплитудные характеристики усилителей, включенных по схеме с ОЭ
Схема каскада | UВХ, мВ | UВХ= max = … | ||||||||||||
0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 150 | 250 | 300 | 500 | 700 | 1000 | |||
без ООС | UВЫХ, В | |||||||||||||
с ООС |
6.4. Исследование усилительных каскадов.
6.4.1. Составляйте различные схемы усилительных каскадов, устанавливая переключатели на панели стенда ЭС-4 в положения, обеспечивающие составление схем, показанных на рис. 1÷5 в таблице 5, и величины параметров, приведенных в столбце 2 табл.5.
Таблица 3
Амплитудная характеристика усилительного каскада, включенного по схеме с ОК
UВХ, В | 0 | 1 | 2 | 2,5 | 3 | 3,5 | 4 | 4,5 | 5 | 5,5 | 6 | 7 | UВХ=max= … |
UВЫХ, В |
6.4.2. Величину RK в усилительных каскадах установите по результатам лабораторной работы № 40 «Исследование характеристик и параметров биполярных транзисторов».
6.4.3. Для усилительных каскадов, показанных на рис. 1,3 и 4 табл.5, исследуйте выходные сигналы по методике, приведенной в п. 6.2.
6.4.4. Для усилительных каскадов (рис. 1, 2 и 5 табл.5) снимите амплитудные характеристики UВЫХ = f(UВХ) по методике, приведенной в п. 6.3. Постройте графики амплитудных характеристик.
6.4.5. Для усилительных каскадов, показанных на рис. 1, 2 и 5, определите входное RВХ выходное RВЫХ сопротивления.
6.4.6. Для усилительных каскадов, изображенных на рис. 1,2,3 и 5 табл.5, определите коэффициент усиления по напряжению КU.
7. Расчетные формулы для определения параметров усилительного каскада по результатам эксперимента
7.1. Входное и выходное сопротивления каскада по схеме с ОЭ без ООС.
| (1) |
| (2) |
где значения RВХ. ТРАНЗ. и RВЫХ. ТРАНЗ. берутся из лабораторной работы № 40;
значения RБ1 и RБ2 указаны на передней панели стенда.
7.2. Параметры усилительного каскада по схеме с ОЭ с ООС по току.
| (3) |
| (4) |
| (5) |
; 
7.3. Параметры усилительного каскада по схеме с ОК.
| (6) |
| (7) |
,где 
rБ=100÷200 Ом (по справочнику);
, где φТ – температурный потенциал, φТ ≈ 25мВ
| (8) |
,где RИСТ≈ 10 Ом (из конструкции стенда),
Таблица 4
Экспериментальные и расчетные параметры усилительных каскадов
Схема каскада | Обозначение параметров | Из лр. № 41 | Из лр. № 40 |
ОЭ без ООС | U + ВЫХ. MAX, В | ||
U – ВЫХ. MAX, В | |||
U ~ ВЫХ. MAX, В | |||
RВХ, Ом | |||
RВЫХ, Ом | |||
КU | |||
ОЭ с ООС | RВХ, Ом | ||
RВЫХ, Ом | |||
КU | |||
ОЭ с ООС СЭ ≠ 0 | U + ВЫХ. MAX, В | ||
U – ВЫХ. MAX, В | |||
КU | |||
ОЭ в режиме класса В | U + ВЫХ. MAX, В | ||
U – ВЫХ. MAX, В | |||
ОК | RВХ, Ом | ||
RВЫХ, Ом | |||
КU |
Таблица 5
Схема усилительного каскада | Параметры схемы | Параметры усилительного каскада | ||
По результатам л. р. № 41 | Л. р. № 40 | |||
1. Схема с общим эмиттером без ООС. |
| RK =… RH = ¥ R/H = 4,7 кОм |
| Rвх = (1); Rвых = (2) |
2. Схема с ОЭ с последовательной ООС по току. |
| RK =… RЭ = 100 Ом RH = ¥ R/H = 4,7 кОм | RВХ = (9); RВЫХ = (10); КU = (11);
| Rвх = (3); Rвых = (4); Ku = (5) |
3. Схема с ОЭ с ООС по постоянному току и без ООС по переменному току (СЭ¹0). |
| RK =… RЭ = 100 Ом RH = ¥ R/H = 4,7 кОм | КU = (11) | Ku=Ku без ООС |
4. Схема с ОЭ, работающая в режиме класса В. |
| RK =… RH = ¥ R/H = 4,7 кОм | ||
5. Схема с ОК. |
| RЭ = 1 кОм RH = ¥ R/H = 4,7 кОм | RВХ = (9) RВЫХ = (10) КU = (11) | Ku = (6); Rвх = (7); Rвых = (8) |
8. Содержание отчета
8.1. Цель работы.
8.2. Принципиальные схемы исследованных усилительных каскадов.
8.3. Таблицы с экспериментальными данными.
8.4. Графики амплитудных характеристик.
8.5. Расчет параметров усилительных каскадов: RВХ, RВЫХ, КU, U + ВЫХ. MAX и U – ВЫХ. MAX.
8.6. Выводы о влиянии ООС на величины параметров RВХ, RВЫХ, RU, о влиянии схемы включения (с ОЭ, с ОК).
9. Контрольные вопросы
9.1. Каково назначение элементов в схеме усилительного каскада с общим эмиттером?
9.2. Что называют амплитудной характеристикой усилителя?
9.3. Как определить коэффициент усиления по амплитудной характеристике?
9.4. Как выбирается рабочая точка усилительного каскада, работающего в режиме класса А, в режиме класса В?
9.5. Как определяются токи и напряжения покоя транзисторного каскада?
9.6. Что понимают под линейным режимом работы усилительного каскада?
9.7. Что называется входным сопротивлением усилителя и как оно определяется? Для чего необходимо знать этот параметр усилителя?
9.8. Что называется и как определяется коэффициент усиления усилителя?
9.9. Объясните, как изменяется величина коэффициента усиления усилителя при увеличении значения RЭ при СЭ=const и СЭ при RЭ=const?
9.10. Что такое обратная связь? Что называют отрицательной ОС?
9.11. Как влияет ООС на характеристику и параметры усилителя?
9.12. Почему различаются значения U + ВЫХ. MAX и U – ВЫХ. MAX для схемы без ООС и схемы с ООС по постоянному току?
9.13. Почему различаются значения UВЫХ МАХ на амплитудных характеристиках?
10. Рекомендуемая литература
10.1. Основы промышленной электроники (под ред. – М: Высшая школа, 1978.
10.2. Кулагин , электроника и электропривод. Ч.1, Учеб. пособие. Ростов-на-Дону, Издательский центр ДГТУ, 1995.
Составители: АНАНЧЕНКО ЛЮДМИЛА НИКОЛАЕВНА
РОГОВ ИГОРЬ ЕВГЕНЬЕВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Методические указания по выполнению учебно-исследовательской
лабораторной работы № 41 по дисциплине
«Электротехника и электроника»
Редактор
_____________________________________________________________
ЛР № ЛР№ 000 от г. В набор г. В печать г.
Объем 0.5 усл. п.л. 0.4 уч. изд. л. Офсет. Формат 60х84/16.
Бумага тип № 3. Заказ № . Тираж. Цена
_____________________________________________________________
Издательский цент ДГТУ.
Адрес университета и полиграфического предприятия:
344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.
