Методическое пособие 237

Лабораторная работа № 4

Усилитель низкой частоты на полевом транзисторе

Цель работы: изучение принципа действия усилителя на полевом транзисторе (ПТ); определение коэффициента усиления.

Приборы и оборудование: макетная плата, источник питания ИСН-3x20/0,5; генератор SFG-71013; осциллограф типа С1-68.

1. Общие сведения

Усилением называется процесс увеличения точно в к раз мощности (напряжения или тока) входного сигнала в неограниченной полосе частот без искажений. Устройство, осуществляющее такое управление, называется усилителем.

По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени усилители делят на усилители медленно изменяющихся сигналов, которые называют усилителями постоянного тока, и усилители переменного тока, подразделяемые на усилители низкой частоты, высокой частоты, широкополосные, избирательные, универсальные многофункциональные и пр.

Взависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока, мощности. Такое различие условно, так как в любом случае, в конечном счете усиливается мощность.

Взависимости от типа использованных в усилителе активных элементов различают усилители ламповые, полупроводниковые, магнитные, оптоэлектронные, диэлектрические.

Структура усилителя и его характеристики приведены на рис. 1 а, б.

Коэффициентом преобразования или коэффициентом передачи называют отношение выходного сигнала к входному. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала яв-

39

ляются однородными, коэффициент преобразования называют коэффициентом усиления. Размерность и общепринятые обозначения коэффициента преобразования зависят от значений и величин входного и выходного сигналов, например S=Iвых/Uвх – коэффициент преобразования напряжения в ток; W=Pвых/Iвх - коэффициент преобразования тока в мощность.

Рис. 1. Структура (а) и частотная характеристика (б) усилителя

В зависимости от характера входной или выходной величин коэффициент усиления подразделяют на коэффициент усиления по напряжению Ku=Uвых/Uвх; коэффициент усиления по току Ki=Iвых/Iвх; коэффициент усиления по мощности Kp=Pвых/Pвх.

В ряде случаев коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ):

Ku=20 lg Uвых/Uвх

Ki=20 lg Iвых/Iвх (1) Kp=20 lg Pвых/Pвх

Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов уси-

40

лителя, общий коэффициент усиления которого равен произведению этих коэффициентов, то его находят как алгебраическую сумму логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Коэффициенты усиления по напряжению и току, как правило, комплексные величины, характеризуемые как модулем, так и фазой. Это связано с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разному из-за наличия реактивных компонент и инерционности активных приборов.

Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению называют динамическим диапазоном:

Введение коэффициента D, характеризующего динамический диапазон, необходимо потому, что максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искажениями сигнала, вызванными входом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики.

Минимально допустимое напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить.

В общем случае входное и выходное сопротивления – величины комплексные из-за наличия реактивных элементов во входной и выходной цепях. В рабочем диапазоне частот они обычно являются активными.

Выходная мощность характеризуется номинальной выходной мощностью. Под ней понимают мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

41

=Pвых/P0. Он характеризует энергетические показатели усилителя.

Рабочий диапазон частот (полоса пропускания, диапазон пропускаемых частот и т.д.) – полоса частот от низшей рабочей частоты fн до высшей рабочей частоты fв, в пределах которой коэффициент усиления не выходит за пределы заданных допусков. Это касается как модуля, так и фазы коэффициента усиления, так как последний обычно бывает комплексным из-за влияния реактивных элементов.

Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 3 дБ. Это диапазон от низшей частоты fн, на которой коэффициент усиления уменьшается относительно своего значения на средней частоте на 3 дБ (в 1.41 раза), до высшей fв, на которой коэффициент усиления также уменьшается на 3 дБ (рис. 1,

б).

Усилительные каскады на полевых транзисторах управляются напряжением, приложенным или к запертому p-n- переходу (в транзисторах с управляющим p-n-переходом), или между электрически изолированным затвором и подложкой, которая часто соединяется с одним из электродов транзистора (в МДП-транзисторах). Ток затвора в усилительных каскадах, собранных на полевых транзисторах, мал и для кремниевых структур с управляющим p-n-переходом не превышает 10-8 А. Для МДП-транзисторов этот ток на несколько порядков меньше. Для транзисторов с p-n-переходом входное сопротивление на низких частотах составляет десятки Мом, а для МДП-транзисторов достигает 1012-1015 Ом. С повышением частоты входное сопротивление существенно уменьшается из-за наличия емкостей затвористок и затвор-сток.

При анализе усилительных каскадов на полевых транзисторах оперируют с крутизной характеристики Sнач (S – крутизна S= ICИ/ UЗИ при UCИ=const) и током Iнач, которые соответствуют

42

нулевому напряжению на затворе относительно истока. Кроме того, обычно необходимо знать напряжение отсечки.

Анализ усилительных каскадов на полевых транзисторах можно проводить аналитическим или графоаналитическим методом.

Упрощенная схема усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом по схеме включения

собщим истоком показана на рис. 2.

Вцепь затвора подается постоянное напряжение Uз и напряжение усиливаемого сигнала Uвх. Выходное напряжение складывается из постоянной составляющей UСИ= и переменного

напряжения Uвых.

Рис. 2. Упрощенная схема усилителя на полевом транзисторе с общим истоком

На рис. 3 показано семейство стоковых характеристик транзистора и проведена нагрузочная прямая в соответствии с уравнением UСИ=UC-RCIC (при ЕC = 10 В, RC = 4 кОм). Рабочая точка А при Uвх=0 соответствует Ез =3 В. Если на входе действует гармонический сигнал низкой частоты с амплитудой UBXm, то рабочая точка на стоковых характеристиках движется вдоль нагрузочной линии в пределах отрезка ВС (рис. 3).

43

Рис. 3. Семейство выходных характеристик ПТ

Крайние положения В и С определяются пересечением нагрузочной линии с характеристиками, соответствующими напряжениям U'ЗИ = UЗИ=+UВХm и U"ЗИ = UЗИ=-UBХm, где UЗИ== Uз (UBXm=0.5 В). Точки В и С определяют амплитуды тока стока IСт и выходного напряжения Uвыхm. На рис. 4 показано семейство сток-затворных характеристик и соответствующие положения рабочей точки.

Рис. 4. Семейство сток-затворных характеристик

Коэффициент усиления по напряжению будет равен

44

где g22=l/Ri=0,025 мА/В – выходная проводимость (Ri= UСИ/ IC

– дифференциальное выходное сопротивление транзистора). На практике схема, показанная на рис. 2, не применяется

поскольку для ее реализации необходимо использовать отдельный источник питания, обеспечивающий смещение на затворе (UЗ). Нужное напряжение UЗИ= можно задать, соединив затвор транзистора посредством высокоомного резистора Rз ~ 1 МОм с общим проводом (рис. 5) и включив в цепь истока резистор Rи. Падание напряжения на резисторе Rи обусловливает повышение потенциала истока относительно общего провода UИ== RиIC, что при надлежащем выборе номиналов элементов схемы создает необходимое смещение на p-n-переходе «затвор - исток». Емкость конденсатора С2 выбирают таким образом, чтобы на нижней граничной частоте сигнала fн емкостное сопротивление Хс2=1/ С2 было много меньше Rи. Конденсаторы С1 и С3 являются элементами связи. Они предотвращают влияние источника сигнала и нагрузки на режим работы каскада по постоянному току.

Рис. 5. Принципиальная схема усилителя.

2.Порядок выполнения работы

2.1.Выставить на выходе источника питания напряжение 10 В. Подсоединить, соблюдая полярность, источник питания к клеммам макетной платы Uпит.

45

2.2.Подключить осциллограф к выходным клеммам (Uвых). Рекомендуемые значения показаний осциллографа: чувствительности – 1 V/делен; время развертки – 0,5 ms/делен. (Вместо осциллографа можно использовать милливольтметр переменного тока.)

2.3.Получить зависимость выходного напряжения усилителя Uвых от входного Uвх. Для этого на вход усилителя подавать напряжение с частотой 1 кГц, величиной от 0 до 5000 mV с низкочастотного генератора. Рекомендуемое значение выходного сопротивления 600 Ом при ослаблении 0 дБ.

2.4.Построить зависимость Uвых от входного Uвх, называ-

емую амплитудной характеристикой усилителя.

2.5.Определить по полученной зависимости Uвых(Uвх) следующие параметры:

-коэффициент усиления по напряжению K;

-величину максимального входного напряжения Umak вх. (Umak вх.- это наибольшее напряжение на входе усилителя при

котором KU = Uвых/Uвх const. )

2.6.Снять частотную зависимость коэффициента усиления KU усилителя, для этого при Uвх=100 mV менять частоту сигнала от 10 Гц до 1000 кГц.

2.7.По формуле (3), полагая, что Ri >> RC = 4 кОм, определите крутизну характеристики транзистора.

2.8.Результаты представить в виде таблиц и графиков. Сформулировать и записать вывод по работе.

3.Контрольные вопросы

3.1.Дайте классификацию усилителей электрического

сигнала.

3.2.Что такое коэффициент усиления (преобразования). В каких единицах он измеряется.

3.3.Нарисовать схему изученного усилителя и объяснить назначение ее элементов.

46