Теоретичні відомості

Вивчення роботи транзисторного підсилювача

Лабораторна робота № 2

Контрольні запитання

Послідовність виконання роботи

1. Встановити на блоці живлення перемикач “ЛАТР” в положення (0-250 В).

Таблиця 3.1.1.

2. Зібрати схему згідно рис. 3.1.5.

3. Змінюючи вхідну напругу U_вх, зняти вольт-амперну характеристику двопівперіодного випрямляча при різних навантаженнях. Результати вимірювань занести в таблицю.

4 .За даними таблиці побудувати графіки залежності величини сили струму на виході від напруги : І_вих = f(U_вих).

5. Зробити висновки.

1. Які типи провідності напівпровідникових матеріалів?

2. Властивість n-р переходу.

3. Характеристики напівпровідникового діода.

4. Принцип роботи випрямляча.

5. Первинна дія постійного струму на тканини організму.

6. Гальванізація та електрофорез.

Мета роботи: вивчити принцип роботи підсилювача напруги на транзисторі, зняти амплітудну і частотну характеристики підсилювача.

Обладнання: макет підсилювача напруги на транзисторі, джерело живлення, мілівольтметр, генератор ЗГ, провідники.

Підсилювачами електричних сигналів називають пристрої, які збільшують ці сигнали за рахунок енергії стороннього джерела. Залежно від призначення розрізняють підсилювачі напруги, сили струму, потужності.

Підсилювач – важлива частина електронних медичних приладів (прилади для реєстрації біопо­тенціалів). При підсиленні біоелектричних сигналів необхідно враховувати специфіку електрич­них сигналів, які знімаються електродами з біоб’єкта:

1) вихідний опір біологічної системи необхідно узгодити з опором електродів;

Рис.3.2.1. Структурна схема транзистора “p-n-р” типу (зліва) і умовні позначення в електричних колах (справа).

Рис.3.2.2. Структурна схема транзистора “n-p-n” типу (зліва) і умовні позначення в електричних колах (справа).

2) біопотенціали — сигнали з малою частотою;

3) біопотенціали — сигнали, малі по величині.

Правильний підбір відпо­від­ної конструкції підсилювача, його елементної бази, зменшення спотворень підсиленого сигналу дає можливість достовірно і стабільно знімати електричні сигнали з біоб’єкту.

Елементною базою підсилювача є транзистор. Транзистор — це напівпровідниковий тріод, який складається з трьох шарів напівпровідників з різним типом домішкової провідності. Між сусідніми шарами напівпровідників утворюються p-n переходи. Розрізняють транзистор “p-n-р” типу (рис.3.2.1) та “ n-p-n” типу (рис.3.2.2).

Стрілка на умовному позначенні транзистора показує на напрямок струму. Області транзистора назива­ють емітер, база, колектор. Розглянемо транзистор “p-n-р” типу (рис.3.2.1). До кожної області транзистора припаюються електроди. “p-n” перехід між емітером і базою називається емітер­ним, на нього подається пряма (підси­лююча) напруга U_вх порядку кількох десятих долей вольта. “p-n” перехід між колектором і базою називається колекторним, на нього подається зворотня (запірна) напруга U_к порядку декількох вольт. Робота транзистора базується на тому, що напруга та струм емітерного переходу впливають на струм в колі колектора.

Рис.3.2.3, Рис.3.2.4. Вхідні характеристики транзистора.

Рис. 3.2.5. Схема підсилювача на транзисторі.

Якщо збільшувати напругу між емітером і базою, буде збільшуватися сила струму в колі емітера, що призведе до зростання сили струму колектора.

Транзистори характеризуються сукупністю вхідних і вихідних статичних характеристик:

1. Вхідні характеристики відображають залежність вхідного струму від вхідної напруги: І_б = f(U_бе) при U_ке = const (рис. 3.2.3).

2. Вихідні характеристики відображають залежність вихідного струму від вихідної напруги при сталому вхідному струмі: І_к = f(U_ке) при І_б = const (рис.3.2.4).

Елементарна схема підсилювача напруги на транзисторі “ n-p-n” типу, увімкненому за схемою зі спільним емітером, показана на рис.3.2.5.

Перехідна характеристика колекторного струму І_к від напруги між базою і емітером U_б показана на рис.3.2.6.

Колекторний струм при зростанні базової напруги не може зростати більше величини, що визначається напругою джерела живлення Е_к і опором R: І_к . На ділянці поблизу точки А (рис.3.2.6 вгорі зліва) перехідну характеристику можна вважати лінійною. При більшій напрузі ця лінійність порушується. Вхідний сигнал створює змінну напругу між базою Б і емітером Е транзистора . Вхідний конденсатор С_вх відділяє джерело підсилюваного сигналу від кола живлення підсилювача і не пропускає на вхід підсилювача постійної складової вхідної напруги.

Рис. 3.2.6. Перехідна характерис­тика транзистора.

Дільник напруги R₁ і R₂ створює постійну додатню напругу (“зміщення“) між базою і емітером. Напруга зміщення U_зм необхідна для того, щоб змінна напруга вхідного сигналу не виходила за межі лінійної ділянки перехідної характеристики: U_б = U_вх + U_зм повинна бути більше нуля, щоб І_к ¹ 0.

На рис. 3.2.6. за допомогою графіка перехідної характеристики показано, як змінна напруга U_вх, подана на базу транзистора (рис.3.2.6 вгорі зліва і внизу), викликає зміну в часі колекторного струму (рис.6 в). вісь часу “t” на рис. 6 б направлена вертикально, вона відповідає осі часу “t” на рис. 6 вгорі справа.

На рис.3.2.7 показані графіки, які пояснюють принципи підсилення змінної напруги в схемі на рис. 3.2.5.

Змінний сигнал U_вх (рис.3.2.7 а) додається з U_зм (рис. 3.2.7 б), U_б = U_вх + U_зм створює пульсацію колекторного струму І_К (рис. 3.2.7 г), що призводить до зміни напруги на опорі R в колі колектора U_R = І_К × R (рис. .3.2.7 д). Вихідну напругу знімають не з опору R в колі колектора, а з транзистора, напруга на якому U_К (рис. 3.2.5). Оскільки сума спадів напруг на резисторі R і на транзисторі U_К завжди рівна напрузі джерела живлення (U_К + U_R = Е_К), то збільшення U_R призводить до зменшення U_К і навпаки. Зміна колекторної напруги (рис. 3.2.7 е) з часом відбувається в протифазі зі змінами спаду напруги U_R, а отже зі змінами вхідної напруги U_вх:

D U_К = - DU_R = -DІ_К×R.

Коефіцієнт підсилення підсилювача – величина, яка показує, у скільки разів амплітудне значення напруги на виході підсилювача більше амплітудного значення на вході:

. (3.2.1)

Рис.3.2.7. Принципи підсилення змінної напруги.

Для підсилювача на транзисторі, де b — коефіцієнт підсилення транзистора по струму, , R — опір колекторного кола транзистора, R_вх — вхідний опір транзистора:

, (3.2.2)

Підбираючи параметри транзистора b, R_, R_вх, можна отримати підсилення вхідної напруги в десятки разів. Для багатокаскадного підсилювача (послідовне з’єднання) коефіцієнт підсилення визичається як добуток коефіцієнтів кожного каскаду:

К_заг. = К₁×К₂×К₃...×К_n. (3.2.3)

Підсилюючи напругу в задане число разів, підсилювач не повинен спотворювати форму сигналу. Спотворення форми сигналу в підсилювачі на транзисторі можуть бути, в основному, двох видів: амплітудні (нелінійні) і частотні (лінійні).

Амплітудні створення виникають, якщо напруга на базі транзистора виходить за межі прямолінійної ділянки перехідної характеристики (рис.3.2.8). З рис 3.2.8 видно, що форма графіка І_К = f(t) (рис.3.2.8 в) U_вих = f(t) (рис.3.2.8 г) не відповідає формі графіка U_вх = f(t) (рис.3.2.8 б). Щоб уникнути амплітудних спотворень, необхідно подавати на вхід підсилювача напругу U_вх, меншу деякого граничного значення U_гр. На практиці U_гр знаходять за амплітудною характеристикою підсилювача U_вих = f(U_вх) при постійній частоті (n = const). На рис.3.2.9 показано, як за типовою амплітудною характеристикою визначається U_гр.

Частотними спотвореннями називають спотворення форми негармонійного сигналу внаслідок залежності коефіцієнта підсилення гармонічних складових сигналу від частоти. Будь-яке негармонічне коливання, згідно теореми Фур’є, можна представити як суму гармонічних коливань з різними частотами і амплітудами (гармонічний спектр). Через залежність коефіцієнта підсилення від частоти різні гармонічні складові підсилюються по-різному. В результаті цього в підсиленій напрузі співвідношення амплітуд складових виявляється не таким, як у вхідній напрузі, і графік U_вих(t) буде за формою відрізнятися від графіку U_вх(t). Залежність коефіцієнта підсилення від частоти пояснюється залежністю від частоти індуктивних і ємнісних опорів у колі підсилювача.

Рис.3.2.8. Амплітудні спотворення транзистора.

Рис.3.2.9. Амплітудна характеристика підсилювача.

Рис.3.2.10. Частотна характеристика підсилювача.

Повністю усунути частотні спотворення неможливо, але можна звести їх до мінімуму правильним вибором підсилювача. Для цього треба знати частоти головних складових гармонічного спектру підсилюваного сигналу, які практично визначають його форму, і вибрати підсилювач з відповідною частотною характеристикою.

Частотна характеристика підсилювача — це залежність коефіцієнта підсилення від частоти гармонічної вихідної напруги при постійних значеннях амплітуди вхідної напруги: К= f(n) при U_вх = const.

Частотну характеристику зручно будувати в напівлогарифмічному масштабі, тобто частоту відкладати по горизонтальній осі в логарифмічному масштабі, а коефіцієнт підсилення – по вертикальній осі в лінійному масштабі (рис. 3.2.10).

Смугу пропускання прийнято визначати як інтервал частот n₁<n<n₂, в якому зменшення коефіцієнта підсилення у порівнянні з його найбільшим значенням К_max не перевищує:

. (3.2.3)

Для мінімізації частотних спотворень необхідно, щоб частоти головних гармонічних складових сигналу попадали в смугу пропускання підсилювача.