Исследование эмиттерных повторителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Узбекское агентство почты и телекоммуникаций

Ташкентский электротехнический институт связи

Кафедра УРС

Описание лабораторной работы:

“Исследование эмиттерных повторителей”

Ташкент 2001 г.

Оглавление

1. Цель работы

2. Задание

3. Основные теоретические сведения

3.1 Повторители как усилители с ООС

4. Описание лабораторной установки

5. Методические указания к выполнению работы

6. Содержание отчёта

Контрольные вопросы и задания

Литература

Приложение

1. Цель работы

Изучение различных схем эмиттерных повторителей и исследование их свойств.

2. Задание

Подготовиться к работе.

Изучить литературу [1], с. 76-77, с. 82-86, с. 189-191; [2], с. 110-116, с. 248-249; [3], с. 76-78, с. 248-249, с. 258; [4], с. 76, с. 226-229; [5], с. 217-221; [6], с. 53-59; [7], с. 73-77; обращая внимание на:

свойства схемы с общим коллектором;

свойства схемы эмиттерного повторителя с повышенным входным сопротивлением;

схему составного эмиттерного повторителя (схему Дарлингтона), её входное и выходное сопротивления.

Ознакомиться с описанием стенда и схемы исследуемого усилителя.

Провести эксперимент.

Исследовать схему обычного эмиттерного повторителя:

измерить сквозной коэффициент усиления усилителя;

измерить входное и выходное сопротивления усилителя;

снять АЧХ усилителя.

Исследовать схему эмиттерного повторителя со сложным делителем:

измерить входное сопротивление усилителя.

Исследовать схему составного эмиттерного повторителя со сложным делителем:

измерить входное и выходное сопротивления усилителя;

снять АЧХ усилителя.

3. Основные теоретические сведения

Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) представляет собой схему, где нагрузка включена в цепь эмиттера. В этом случае входное сопротивление представляет собой сопротивление коллекторного перехода, выходное сопротивление - сопротивление эмиттерного перехода. Таким образом, током входа является ток базы, током выхода - ток эмиттера.

Схема имеет стопроцентную (полную) последовательную отрицательную обратную связь (ООС) по напряжению, уменьшающую коэффициент усиления напряжения каскада и его коэффициент гармоник, а также уменьшающую его выходное сопротивление и увеличивающее входное. Изменяются эти сопротивления при изменении сопротивлений нагрузки и источника сигнала. При этом уменьшается и входная динамическая ёмкость каскада. Улучшаются качественные показатели при введении глубокой ООС.

Вследствие большой глубины обратной связи в транзисторе с ОК, входное и выходное сопротивления изменяются в очень широких пределах. Если при общем эмиттере и общей базе входное и выходное сопротивления изменяются всего в несколько раз, то при общем коллекторе - в несколько сотен или тысяч раз и поэтому, эта схема может быть использована как согласующая или развязывающая цепи.

Входное и выходное сопротивления транзистора с ОК при Rист<<Rкб и Rэ~<<Rкэ (где Rкб - сопротивление коллекторного перехода, Rкэ - сопротивление перехода коллектор эмиттер), что почти всегда имеет место, достаточно точно определяются выражениями:

Rвх ок = r+(1+ h) Rэ~ h+(1+ h) Rэ~; (1.1)

Rвых ок rэ+ (rб + Rист) / (1+ h21э) h11э + (1+ h21э) rэ ; (1.2)

где Rэ~ - сопротивление нагрузки по сигналу по эмиттерной цепи,

h - коэффициент передачи тока транзистора,

r - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода,

r- объемное сопротивление базы,

Rист - внутреннее сопротивление источника сигнала,

h11э - входное сопротивление транзистора по схеме с ОЭ,

Rвх ок, Rвых ок - входное и выходное сопротивление по схеме с ОК.

При этом реактивные составляющие соответственно равны:

Lвых ок 0,16(rб + Rист) / fт; (1.3)

Свых ок 0,16 / (rэ + Rэ~); (1.4)

С вхд ок Ск (1+к); (1.5)

где fТ - предельная частота усиления транзистора,

С = Свых ок - здесь очень мала и из-за низкого высокого сопротивления транзистора, при таком включении, на свойства каскада не влияет,

С вхд ок - входная динамическая емкость схемы с ОК.

Величины элементов схемы включения транзистора с ОК (см. рис. 1.а и 1.б) соответственно представлены на эквивалентной схеме:

Рис. 1 Эквивалентная схема транзистора с ОК: а) входная цепь; б) выходная цепь

коллектор транзистор сопротивление

3.1 Повторители как усилители с ООС

Усилительный каскад на транзисторе, включенный по схеме с ОК, носит название эмиттерный повторитель, поскольку напряжение на выходе усилителя по величине и фазе близко к действующему на входе, и как бы повторяет его. Рассмотрим эмиттерный повторитель с точки зрения возникновения в нем ООС, см. рис.2.

Рис. 2 Принципиальная схема эмиттерного повторителя

Сопротивлением нагрузки для переменного тока здесь является параллельное сопротивление резисторов Rн и Rэ:

Rэ~ = ; (1.6)

Выходной ток эмиттера Iэ~ создает на выходное Rэ~ напряжение, которое оказывается приложенным ко входной цепи повторителя, то есть является напряжением обратной связи U. Так как U есть U, то есть оно зависит от выходного напряжения, то здесь способ снятия U будет по напряжению, а так как U приложено последовательно ко входу транзистора Uбэ, то способ подачи U на вход будет последовательным. В этой схеме база транзистора VT через С и E подключается к концу R, на котором будет знак фазы противоположный исходному (база и эмиттер транзистора имеют всегда одинаковые фазы). Таким образом, в каскаде наблюдается 100% ООС последовательная по напряжению, где - коэффициент передачи по цепи обратной связи и равный: = U/ U, равен 1, все напряжение выхода поступает на вход каскада в виде напряжения обратной связи (ОС).

Если в выражении коэффициента усиления по напряжению для ООС последовательной по напряжению подставить значение глубины ООС, равное:

F = 1+ U/ Uвх= 1+I Rэ~/ Uвх= 1+ Sэ Uвх Rэ~/ Uвх=1+ Sэ Rэ~; (1.7)

где Sэ - крутизна эмиттерного тока транзистора (справочное данное).

то получится выражение для коэффициента усиления по напряжению эмиттерного повторителя с учетом 100% ООС ( = 1).

К = = Sэ Rэ~ / (1 + Sэ Rэ~); (1.8)

Представив значение Sэ, можно получить [2]:

К = Rэ~ / (rэ + Rэ~); (1.9)

Практически К 1, то есть выходное напряжение в этом каскаде повторяет входное по амплитуде и по фазе. Это в равной степени относится и к истоковому, и к катодному повторителям. Из-за наличия ООС последовательные по напряжению входные сопротивлению повторителей (схемы с общим катодом, общим истоком и общим катодом) увеличиваются приблизительно на величину глубины ОС, что позволяет их использовать для цепей согласования. Но если на входе повторителя стоит делитель для создания смещения на базу, то входные сопротивления повторителей уменьшаются, так как:

R= , (1.10)

R==R, (1.11)

а R1 и R2 сопротивления делителя (см. рис. 3 и 4).

В этом случае теряется достоинство повторителей, но входное сопротивление велико. Принципиальные схемы истокого и катодного повторителя представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно. Эти схемы наиболее часто встречаются в системах связи.



Рис. 3 Истоковый повторитель. Рис. 4. Катодный повторитель

В данной лабораторной работе мы производим исследование эмиттерного повторителя (ЭП), т.к. благодаря своим положительным свойствам (уменьшению нелинейности в каскаде, частотных, фазовых и переходных искажений и т.п.) ЭП в настоящее время нашел широкое применение в качестве импульсных и широкополосных усилителей, работающих на нагрузку с малым сопротивлением (например - на кабель). Включение на входе каскада с ОК (см. рис. 2) делителя подачи смещения эмиттерной стабилизации снижает большое входное сопротивление каскада с ОК, т.к. теперь оно будет равно параллельному соединению входного сопротивления R каскада с ОК и сопротивлению делителя (см. формулу 1.11.).

Для повышения входного сопротивления используют специальные схемы:

эмиттерный повторитель со сложным делителем на входе;

эмиттерный повторитель с повышенным входным сопротивлением за счет введения дополнительной ОС;

составной эмиттерный повторитель со сложным делителем на входе.

Рассмотрим схему простого эмиттерного повторителя, представленного на рис. 2. и его основные расчетные формулы (для транзистора включенного по схеме с ОК):

Коэффициент усиления по напряжению:

K==<1, (U=U=U); (1.12)

Выразим K через h - параметры транзистора:

U=h*J,

U=R*J=R(J+J)=R(1+h)*J,

где Jбm, Jэm, Jкm - соответствующие токи транзистора.

т.к. J/J=h, отсюда:

K= ; (1.13)

Коэффициент усиления по току:

K==>1; (1.14)

при R=0, K=1+h=|h|; (1.15)

Входное и выходное сопротивления повторителя вычисляются по формулам (1.10) и (1.3) соответственно. Анализ формул показывает, что входное сопротивление повторителя велико, а выходное - мало.

Для получения большого входного сопротивления в повторителях часто применяют сложный делитель (см. рис. 5).

Рис. 5 Эмиттерный повторитель со сложным делителем на входе

В этом случае, с помощью резистора R, резистор R оказывается присоединенным по переменному току к переходу б-э и потребляет меньший ток, что эквивалентно увеличению сопротивления в R=U /U раз.

Значительно более низкое выходное сопротивление и более близкий к единице коэффициент усиления по напряжению при тех же усилительных элементах можно получить от сложных повторителей (эмиттерный повторитель с динамической нагрузкой) [2], например рис. 6.

Принципиальная схема его не отличается от бестрансформаторного двухтактного каскада мощного усиления с последовательным управлением, но сопротивление резистора R берут не таким, при котором схема работает как двухтактная, а возможно большей величины.

Входное и выходное сопротивления, коэффициенты усиления напряжения и тока, коэффициенты гармоник сложного повторителя можно определять по формулам обычных повторителей, считая крутизну характеристики ведущего транзистора S в (1+k) раз больше крутизны ведомого транзистора, где k - коэффициент усиления ведущего усилительного элемента (транзистора).

Рис. 6 Сложный эмиттерный повторитель

Достаточно высокое входное сопротивление дает схема, где в цепь базы транзистора последовательно с делителем смещения введен резистор R (см. рис. 7).



Рис. 7 Эмиттерный повторитель с повышенным входным сопротивлением

Нижний конец R соединен с цепью эмиттера через конденсатор большой емкости С. Величина емкости С берется не ниже:

*R*R,

где f - нижняя частота усиливаемого диапазона частот.

При выборе меньшей емкости входное сопротивление повторителя на нижней рабочей частоте f будет сильно снижаться. На сопротивление R возникает ООС, что способствует увеличению входного сопротивления повторителя, т.к. к R приложена сумма напряжений U и U, то это эквивалентно увеличению этого сопротивления в U / U раз, т.е. в:

(=) раз,

K=.

Входное сопротивление этого повторителя будет равно сопротивлению параллельного соединения R и (R/(1-K))+(R*R)/(R+R):

R=; (1.16)

Выходное сопротивление тоже несколько изменится и будет равно:

R=.

Для увеличения входного сопротивления и уменьшения входной емкости используется составной эмиттерный повторитель со сложным делителем на входе рис. 8.



Рис. 8 Составной эмиттерный повторитель со сложным делителем на входе.

В этой схеме составные резисторы VT и VT включены по схеме с ОК и образуют “пару Дарлингтона”. Коэффициент усиления этой пары равен:

h=h+h+h*h; (1.17)

В этом случае входное сопротивление “пары Дарлингтона” равно:

h=h+(1+h)*h ; (1.18)

а коэффициент передачи по току равен:

h= h+(1+h)* h; (1.19)

Входное сопротивление каскада по аналогии с предыдущим случаем будет равно:

R=h+(1+h)*Rэ~,

R=R*R/(R+R); (1.20)

Выходное сопротивление:

R r++; (1.21)

(Rh).

4. Описание лабораторной установки

Лабораторный макет собрал в виде печатной платы на съемной панели общей лабораторной стойки. Макет позволяет исследовать три наиболее распространенные схемы эмиттерных повторителей (ЭП) (рис. 2,5,8). Функциональная схема макета изображена на рис. 9.

Рис. 9 Функциональная схема лабораторной работы

На функциональной схеме в упрощенном виде представлены основные элементы принципиальной схемы, т.е. без деталей цепей питания транзисторов, все транзисторы входят в состав блока А1, а элементы и цепи коммутации различных схем ЭП входят в состав блока «Переключение схем S3».

Назначение переключателей:

Переключатель S3 («Переключение схем») позволяет образовать три схемы ЭП:

положение 1 - схема обычного ЭП (рис. 2);

положение 2 - схема ЭП со сложным делителем на входе (рис. 5);

положение 3 - схема составного ЭП, т.е. схема Дарлингтона (рис. 8).

Переключатель S1 имитирует внутреннее сопротивление источника сигнала:

положение «75Ом» - R=60Ом,

положение «выкл.» - отключается R=300Ом, R=75Ом.

Переключатель S2 (Rг) создает определенную величину сопротивления источника сигнала Rг в зависимости от вида исследуемого ЭП:

положение 1 - Rг= 0 для всех трех схем ЭП (положение S3 - 1, 2, 3);

положение 2:

а) Rг= 5,1кОм для первой схемы (рис. 2) (положение S3 - 1);

б) Rг= 5,1кОм для второй схемы (рис. 5) (положение S3 - 2);

в) Rг= 100кОм для третьей схемы (рис. 8) (положение S3 - 3).

Ручка «Рег. J» позволяет установить ток коллектора J, равным 20мА в любой исследуемой схеме.

Переключатель S4 создает различные сопротивления нагрузки:

положение 1 - R=300Ом;

положение 2 - R=150Ом;

положение 3 - R=75Ом.

5. Методические указания к выполнению работы

Для всех схем (положение S3 - 1, 2, 3) необходимо ручкой переменного сопротивления “Per. J», выведенного на переднюю панель, установить на приборе «Потребляемый ток» ток, равный 20мА.

Измерить сквозной коэффициент усиления на частоте, равной 1кГц, с напряжением Источника сигнала на входе Е=1В. Измерения проводятся при Rг= 0 (положение S2 - 1) для значений R, равных 150Ом и 75Ом (положение S4 - 2 и 3 соответственно). Сквозной коэффициент усиления вычислить по формуле:

K=U/E

Измерение входных сопротивлений для всех трех схем включения ЭП (положение S3 - 1, 2, 3) проводить при Е=1В и f=1кГц по структурной схеме, изображенной на рис. 10 для двух случаев:

R= 75Ом, Rг= 0 и 5,1кОм (положение S4 - 3, положение S2-1,2 соответственно);

R= 150Ом, Rг= 0 и 5,1кОм (положение S4 - 2, положение S2-1,2).



Рис. 10 Структурная схема измерения входного сопротивления: Р - генератор на входе; А - исследуемый усилитель; Р - осцилограф; PV и PV - вольтметры; Rг - добавочное сопротивление

Все полученные данные занести в таблицу для всех трех исследуемых схем.

Выходное сопротивление также измерить для трех схем включения ЭП (положения S3 - 1, 2, 3) при подаче на вход Е=1В и f=1кГц по структурной схеме, изображенной на рис. 11 для двух случаев:

Rг=0 (положение S2 - 1) и R=150Ом (R15) и 75Ом (R16) (положение S4 - 2, 3);

Rг=33Ом (положение S2 - 4) и R=150Ом (R15) и 75Ом (R16) (положение S4 - 2, 3)



Рис. 11 Структурная схема для измерения выходного сопротивления

Здесь: S4 - переключатель, подключающий сопротивление нагрузки к выходной цепи.

Для 2-х положений S4 (соответствующим переключению нагрузки R=150Ом и 75Ом, найти U2 и U2).

Выходное сопротивление каскада определить по формуле:

R=;

Снять АЧХ для трех схем включения ЭП (положение S3 - 1, 2, 3) при подаче на вход Е=1В и f=1кГц.

Все измерения и рассчитанные результаты занести в таблицу, зарисовать АЧХ для всех трех схем включения ЭП.

6. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

Принципиальную схему обычного ЭП, ЭП со сложным делителем.

Схему составного ЭП.

Результаты измерений, представленные в виде таблиц и графиков.

Выводы по результатам измерений.

Контрольные вопросы и задания

Объяснить назначение всех элементов схемы. Показать пути прохождения постоянных и переменных составляющих токов.

Объяснить зависимость входного сопротивления ЭЛ от сопротивления нагрузки.

Объяснить зависимость входного сопротивления от частоты.

Объяснить зависимость входного сопротивления ЭЛ от сопротивления источника сигнала.

Объяснить зависимость выходного сопротивления от частоты.

Объяснить, почему выходное сопротивление у ЭП со сложным делителем больше, чем у схемы обычного ЭП.

Объяснить, почему выходное сопротивление у составного ЭП больше, чем у схемы обычного ЭП.

Изобразить эквивалентную схему обычного ЭП для области средних и верхних частот.

Объяснить, почему входное сопротивление у транзистора, включенного по схеме ОК, велико, а выходное - мало.

Литература

1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. - М.: Радио и связь, 1983, с.264.

2. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. - М.: Связь, 1971, с.368.

3. Мурадян А.Г., Разумихин В.И., Тверецкий М.С. Усилительные устройства. - М.: Связь, 1976, с.280.

4. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1982.

5. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Радио и связь, 1996, с.768.

6. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.: Радио и связь, 1997.

7. Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители. Учебник для техникумов связи. - М.: Радио и связь, 1983, с.320.

Приложение

Отчет.

Принципиальные схемы всех трех исследуемых усилительных каскадов.

Результаты исследования схемы 1.

Сквозной коэффициент усиления К=

Входное сопротивление при R=150Ом и R=75Ом, R=

Выходное сопротивление при R=0, R=33кОм, R=

Результаты исследования второй и третьей схем: К, R, R, К, R, R вносятся в таблицу 1.

Выводы по результатам измерений.

Таблица 1

Схема	Кс	Rвх	Rвых
1
2
3

Размещено на Allbest.ru

...