Разработка стенда для исследования усилителя по схеме с общим эмиттером, коллектором

В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.

В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину - число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.

Виды усилителей по элементной базе:

Ламповый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы.

Полупроводниковый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.).

Гибридный усилитель - усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть - на полупроводниках.

Квантовый усилитель - устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

Виды усилителей по диапазону частот:

Усилитель постоянного тока (УПТ) - усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Основная статья - Усилитель постоянного тока.

Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) - усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Основная статья - Усилитель звуковых частот.

Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) - усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике.

Импульсный усилитель - усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц - нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

Виды усилителей по полосе частот:

Широкополосный (апериодический) усилитель - усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот.

Полосовой усилитель - усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот.

Селективный усилитель - усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами.

Виды усилителей по типу нагрузки:

с резистивной;

с ёмкостной;

с индуктивной;

с резонансной.

Усилители в качестве самостоятельных устройств:

Усилители звуковой частоты

Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания.

Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств.

Бытовые усилители звуковой частоты. В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных.

Измерительные усилители - предназначены для усиления сигналов в измерительных целях. Основная статья - Измерительный усилитель (средство измерений).

Усилители биопотенциалов - разновидность измерительных усилителей, используются в электрофизиологии.

Антенные усилители - предназначены для измерений слабых сигналов с антенны перед подачей их на вход радиоприёмника, бывают двунаправленные усилители (для приёмопередающих устройств), они усиливают также сигнал, поступающий с оконечного каскада передатчика на антенну. Антенный усилитель устанавливается обычно непосредственно на антенне или поблизости от неё.

1.1.2 Структура усилителя

Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями

Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.

Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры -- для регулировки усиления, фильтры -- для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства -- нелинейные и др. Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

1.1.3 Каскады усиления

Каскад усиления -- ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.

В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых особых случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.

В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)

Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) -- наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.

Каскад с общей базой (затвором, сеткой) -- усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.

Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) -- называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.

Каскад с распределенной нагрузкой -- каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности "двухподвес". Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.

Каскодный усилитель -- усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй -- по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания "КАСКад через катОД" (англ. CASCade to cathODE)[1]

Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными.

Однотактный усилитель -- усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.

Двухтактный усилитель -- усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

1.1.4 Усилитель с общим эмиттером

Рассмотрим источник тока, нагрузкой для которого служит резистор (рис. 1). Напряжение на коллекторе равно

Uк=Uкк - IкRк. (1)

Рис 1. Схема усилителя с общим эмиттером

Можно через емкость задать сигнал в цепь базы, тогда напряжение на коллекторе будет изменяться. Рассмотрим пример, представленный на рис. 1. Конденсатор С выбран так, что фильтр высоких частот, образованный этим конденсатором и последовательно соединенными с ним резисторами смещения базы, пропускает все нужные частоты (резисторы в цепи базы обычно выбирают так, чтобы импеданс со стороны базы, т.е. входное сопротивление транзистора, был гораздо больше и им можно было пренебречь).

Рис. 3.14 Принципиальная схема усилителя на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим коллектором.

C ? l/2рѓ(R1 || R2). Uк=Uкк - IкRк. (2)

Благодаря напряжению смещения, приложенному к базе, и наличию эмиттерного резистора сопротивлением 1,0 кОм ток покоя коллектора составляет 1,0 мА. Этот ток создает на коллекторе напряжение +10 В ( + 20 В минус падение напряжения на сопротивлении 10 кОм при протекании тока 1,0 мА). Допустим теперь, что на базу подан сигнал uб. Напряжение на эмиттере повторяет изменение напряжения на базе uэ - uб и вызывает изменение эмиттерного тока:

iэ = uэ/Rэ = uб/Rэ(3)

и приблизительно такое же изменение коллекторного тока (транзистор имеет большой коэффициент h21э). Итак, первоначальное изменение напряжения на базе вызывает изменение коллекторного напряжения:

uк = - iкRк = - uб(Rк/Rэ)(4)

Получается, что схема представляет собой усилитель напряжения, коэффициент усиления которого определяется следующим образом:

Коэффициент усиления = uвых/uвх = - Rк/Rэ. В нашем примере коэффициент усиления равен -10000/1000, или -10. Знак минус говорит о том, что положительный сигнал на входе дает на выходе отрицательный сигнал (амплитуда которого в 10 раз больше, чем на входе). Такая схема называется усилителем с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.

1.1.5 Усилитель с общим коллектором

Усилитель с общим коллектором обладает большим значением Rвх и малым Rвых. Этим он выгодно отличается от каскада с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению Кб<1. Поэтому каскад с ОК нашел применение как буферный. Он включается между маломощным источником сигнала и каскадом с ОЭ либо между каскадом с ОЭ и низкоомной нагрузкой.

В схеме каскада с ОК резистор Rб образует цепь смещения с фиксацией тока покоя базы. Коллектор транзистора подключен к источнику питания Ек. В эмиттерную цепь введен резистор Rэ. Он обеспечивает стабилизацию режима работы транзистора за счет ООС по току. Нагрузка RH подключается к эмиттерной цепи через разделительный конденсатор СР. Последний исключает попадание постоянной составляющей тока эмиттера в нагрузку. При таком включении приращение входного и выходного сигналов совпадают по знаку, каскад неинвертирующий.

При включении в цепь транзистора с общим коллектором возникает наибольшее входное сопротивление, до сотен килоом, которое увеличивается при возрастании сопротивления нагрузки.

Выходное сопротивление такого вида включения меньше, чем при других, принимает значение в пределах от десятых долей ома до тысячи и резко увеличивается при возрастании внутреннего сопротивления источника сигнала.

Коэффициент усиления напряжения в случае включения транзистора с общим коллектором меньше единицы, коэффициент усиления тока немного больше, чем при включении с общим эмиттером, и сильно меняется при изменении режима работы, температуры и замене транзисторов.

Выходной сигнал этой схемы совпадает по фазе с входным сигналом.

Включение с общим коллектором применяется в каскадах предварительного усиления при условии необходимости большого входного сопротивления и малой входной емкости, а также в каскадах с большой выходной мощностью, с малым входным сопротивлением или малыми нелинейными искажениями.

В силу того, что выход сопутствует току эмиттера, эту схему иногда называют эмиттерным повторителем.

1.1.6 Дифференциальный усилитель

Рассмотренный усилитель по схеме с общим эмиттером применяется достаточно широко, но имеет ряд недостатков - малое входное и большое выходное сопротивления, зависимость коэффициента усиления от параметров нагрузки. Эти недостатки частично или полностью исключены в дифференциальном усилителе.

Простейшая схема дифференциального каскада приведена на рис.14.3. Транзисторы Т₁ и Т₂, а также резисторы R_к1 и R_к2 образуют мост. В диагональ 1 - 1^' моста включены источники питания + Е_к и -Е_к, а также R_э. В диагональ 2 - 2^' включена нагрузка - R_H. Для нормальной работы каскада мост должен быть строго сбалансирован, т.е. R_к1 = R_к2, а транзисторы должны иметь одинаковые параметры, т.е. должны быть изготовлены по одной технологии, на одном кристалле. Поэтому дифференциальные каскады изготовляют в заводских условиях в виде микросхем.

Пусть . Токи транзисторов Т₁ и Т₂ создают на сопротивлении R_э падение напряжения U_Rэ, причем

.

Это напряжение является напряжением смещения для обоих транзисторов. Так как параметры транзисторов одинаковы, то и токи транзисторов одинаковы т.е. ; ; .Равные коллекторные токи создают на равных сопротивлениях R_к1 и R_к2 равные падения напряжений U_к1=U_к2. Поэтому

.

Резистор R_э образует цепь ООС по току, обеспечивает температурную стабилизацию и устраняет дрейф нуля ( отклонение U_вых от нуля за счет нестабильности Е_к).

Источник сигнала может подключаться ко входу одного из транзисторов (при этом вход другого транзистора заземляется), либо между базами двух транзисторов. Рассмотрим первый вариант включения. Пусть источник сигнала е(t) включен ко входу транзистора Т₁, т.е. U_вх1 = е. Вход транзистора Т₂ заземлен. Пусть также е 0. Под воздействием входного сигнала увеличиваются: ток базы ; ток коллектора и ток эмиттера первого транзистора. Приращение тока эмиттера I_э1 вызывает приращение падения напряжения U_Rэ (см.14.9), т.е. напряжение ООС на участке база-эмиттер транзистора Т₂ и уменьшит ток I_э2 так, что

.

Следовательно

;; .

Таким образом, благодаря ООС по току, воздействие сигнала на вход одного из транзисторов вызывает равные по величине и противоположные по знаку изменения токов и напряжений в обоих транзисторах.

При подаче сигнала на вход транзистора Т₂ физические процессы каскада не изменятся. Однако полярность выходного сигнала будет противоположной входному.В связи с этим вход транзистора Т₁ называют прямым, а вход транзистора Т₂ - инверсным. Кроме того, ко входам транзисторов можно подключать независимые источники сигналов U_вх1 и U_вх2. В этом случае выходной сигнал (в классе А) может быть найден методом суперпозиции от воздействия каждого из сигналов.

1.2 Практическая часть

1.2.1 Обзор программ для исследования и проектирования элементов электроники

Профессиональная версия Multisim предназначена улучшить процесс схемопроектирования, благодаря моделированию мирового стандарта SPICE и интуитивно понятному анализу. Multisim позволяет минимизировать ошибки, сохранять итерации в процессе проектирования и способствует эффективной разработке печатных плат (PCB).

Среда Multisim помогает быстро развить практические навыки по проектированию и тестированию электрических цепей.

Образовательная версия Multisim 11 Academic - обладает специальным набором инструментов для преподавания и дополняется необходимым комплектом лабораторных работ и учебников по схемотехнике. Такая интегрированная система позволяет преподавателям вовлечь студентов в процесс обучения закрепить полученные знания за счет интерактивного, наглядного подхода к решению схемотехнических задач. Многие университеты, технические колледжи и выбрали Multisim благодаря наличию интерактивных компонентов, возможности контроля и снятия данных с измерительных приборов в процессе моделирования схем, а также благодаря возможности проведения измерений аналоговых и цифровых сигналов.

Профессиональная версия Multisim 11 Professional - позволяет специалистам оптимизировать свои проекты, минимизировать ошибки и снизить число итераций при разработке. В сочетании с новым NI Ultiboard 11 - программным обеспечением для проектирования топологии печатных плат, Multisim - представляет собой недорогую платформу сквозного проектирования. Тесная интеграция со средой графической разработки NI LabVIEW позволяет специалистам различного уровня внедрять собственные алгоритмы анализа и улучшать верификацию своих проектов.

Основные преимущества Multisim 11

Multisim 11 Academic

Удобство изучения цифровых схем за счет экспорта VHDL - описания программируемого логического устройства

Наглядные, прикладные лабораторные работы за счет использования одночастотного анализа по переменному току

Сравнительный анализ моделированных данных и данных, полученных в результате реального эксперимента за счет использования образовательной платформы NI ELVIS.

Multisim 11 Professional

Новый улучшенный синтаксический SPICE-анализатор, обновленные модели полевых транзисторов BSIM, поддержка дополнительных параметров, а также улучшенные возможности для моделирования цифровых устройств

Прямое и обратное взаимодействие между схемотехническим проектом в Multisim и топологией печатной платы в Ultiboard

Улучшенная система связей на схемотехническом листе за счет использования специальных графических коннекторов и нового алгоритма назначения имен WYSIWYG.

1.2.2 Исследование усилителя с общим эмиттером с помощью программы Multisim

Схема усилителя с общим эмиттером представлена на рис.1. Цепочка резисторов R₁, R₂ и R_э задают режим работы транзистора по постоянному току (ток коллектора транзистора). Кроме того, резистор R_э создает отрицательную обратную связь (ООС).

Рис. Схема усилителя с общим эмиттером, собранная в программе Multisim

Каскад усилителя, собранный по схеме с общим эмиттером (ОЭ), дает усиление по мощности, напряжению и току. Это одна из самых часто применяемых схем во многих базовых элементах электроники. Усилитель собран на биполярном транзисторе обратной проводимости.

Для получения параметров схемы, близких к оптимальным, необходимо задать транзистору режим работы по постоянному току, выбрать рабочую точку.

Рабочей точкой транзистора называют точку пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических вольт-амперных характеристик. Режим работы транзистора определяется начальным положением рабочей точки (при отсутствии входного переменного сигнала). Это положение определяется на характеристиках совокупностью постоянных составляющих токов и напряжений в выходной IКр, UКЭр и входной IБр, UБЭрцепях.

При работе транзистора в активном (усилительном) режиме (класса А) рабочая точка должна находиться примерно посередине отрезка АВ нагрузочной прямой. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка АВ.

При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки (уменьшить влияние температуры на начальное положение рабочей точки). C этой целью в эмиттерную цепь введен резистор Rэ, на котором создается напряжение ООС по постоянному току URЭ.

Нормальный активный режим может быть задан выбором рабочей точки на середине линейного участка ВАХ. Этот режим также называется усилительным.

В нашем случае это реализуется подачей напряжения смещения на транзистор (задается режим работы по постоянному току) с делителя напряжения R2-R3 и источника питания постоянного тока V1

Снимается выходное напряжение с нагрузки, которой в данном случае является резистор R4 , включенный в цепь коллектора.

Для стабилизации режима работы транзистора к эмиттеру подключена цепочка отрицательной обратной связи (резистор R1 и конденсатор C2), её ещё часто называют цепью эмиттерной термостабилизации.

Конденсатор C2 включен для устранения отрицательной обратной связи по переменному току (препятствует снижению коэффициента усиления).

Особенностью работы каскада является то, что переменные входной и выходной импульсы напряжения сдвинуты по фазе на 180 градусов, находятся в противофазе.

Эту картину можно наблюдать на осциллограмме, снятой при работе усилителя в электронной лаборатории на IBM PC в автоматизированной среде N1.Multisim 10.1.1.

Осциллограмма напряжений представлена на рис. 6.

Рис. 6. Осциллограмма напряжений

Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току (при наличии входного переменного сигнала) резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным.

1.2.2 Исследование усилителя с общим коллектором с помощью программы Multisim

Рис. 7. Усилитель с общим коллектором, собранный в программе Multisim

Схема с общим коллектором (ОК) или, как ее еще называют, эмиттерный повторитель имеет высокий коэффициент усиления по току и не дает усиления по напряжению. Это связано с действием 100%-й отрицательной обратной связи через резистор R3. В усилителе с ОК фазы входного и выходного сигналов совпадают. Здесь C1 и C2 - входной и выходной разделительные конденсаторы, резисторы R1 и R2 образуют цепь смещения по постоянному току. Коллекторный резистор отсутствует, так как выходной сигнал снимается с резистора R3.

Таким образом, при включении транзистора по схеме с ОК усиления входного сигнала по напряжению не происходит. Наоборот, амплитуда выходного напряжения оказывается даже несколько меньше амплитуды входного напряжения. Но зато в этой схеме усиливается входной сигнал по току, чего нет в схеме с ОБ. Поэтому в схеме с ОК происходит усиление по мощности. Достоинством схемы с ОК является также ее большое входное и малое выходное сопротивления. Большое входное сопротивление позволяет подключать такой каскад к маломощным источникам сигналов и другим усилительным каскадам, имеющим большое выходное сопротивление, не снижая их качественных показателей.

В то же время благодаря малому выходному сопротивлению усилителя с ОК к нему можно подключать другие устройства с малым входным сопротивлением. Благодаря этим особенностям усилитель с ОК широко применяется в качестве согласующего каскада. Он включается между каскадом с большим выходным сопротивлением и каскадом с малым входным сопротивлением.

Амплитуда выходного напряжения в схеме с ОК мало отличается от амплитуды входного напряжения, т. е. как бы повторяет его. Так как выходное напряжение снимается с эмиттера, усилитель с ОК получил название эмиттерного повторителя.

Усилитель по схеме с общим коллектором (ОК) (см. рис.14.4) обладает большим значением Rвх и малым Rвых. Этим он выгодно отличается от каскада с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению Кб<1. Поэтому каскад с ОК нашел применение как буферный. Он включается между маломощным источником сигнала и каскадом с ОЭ либо между каскадом с ОЭ и низкоомной нагрузкой.

Рис. 8. Осциллограмма напряжений

Достоинством схемы является высокое входное сопротивление (десятки кОм) и низкое выходное сопротивление (единицы кОм - сотни Ом), поэтому эту схему используют для согласования различных устройств по входному сопротивлению, а недостатком - схема не усиливает напряжение.

1.2.3 Выбор элементной базы для построения

Для исследования усилителя с общим эмиттером применялось следующее оборудование: транзистор типа КТ315, резисторы 1кОм, 9.1кОм, 10кОм, 82кОм, 22кОм; конденсаторы 1 мкФ, 15 мкФ, цепочка из последовательно соединенных сопротивления 1кОм и конденсатора100 мкФ.

2. Охрана труда. Меры безопасности при техническом обслуживание электронной техники

2.1 Анализ условий труда