Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

Лабораторная работа №6

Исследование эмиттерного повторителя

Цель работы

Изучение основных параметров и характеристик эмиттерного повторителя

 2. Теоретические сведения

Эмиттерным повторителем называют усилитель со 100% -ной отрицательной обратной связью по напряжению с коэффициентом усиления близким к единице, но всегда меньше ее, не меняющие полярность входного сигнала и обладающие повышенным входным и пониженным выходным сопротивлениями. Классическая схема эмиттерного повторителя показана на рис.2.1 а), а его малосигнальная эквивалентная схема для средних частот на рис.2.1 б).

Подпись:       -Ек
             RБ1		                     
    
     С1
   				      С2
                      UБЭ
  Rr        RБ2                   RЭ          Uвых        RН 
   Еr
 


 а) б)

  Рис.2.1. ЭП для средних частот. 

а) принципиальная схема

б) эквивалентная схема

Выходное напряжение снимается с эмиттера, а в цепи коллектора нет резистора. Из рисунков видно, что если Rr близко к нулю, то напряжение генератора или uвх равно uвых с вычетом малого падения напряжения на базе и эмиттерном переходе. Т.е. можно  написать (с учетом Rr):

uвх - IБ(rБ+Rr)- IЭrЭ=uвых,

где uвых=IЭRЭ и IБ=(1-α)IЭ. Напомним, что α=∆IК/∆IЭ≈h21Б – дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока. Из этого соотношения найдем IЭ= uвых / RЭ. Затем выразим uвых через uвх:

 

uвх=uвых+(1-α)IЭ(rБ+Rr)+IЭrЭ =

=uвых+(1-α)·(uвых / RЭ )·(rБ+Rr)+ uвых ·rЭ / RЭ=

 =uвых[1+ (1-α)·(rБ+Rr)/ RЭ + rЭ / RЭ]

В результате коэффициент передачи запишется

 RЭ

 RЭ+rЭ+(1- α)·(rБ+Rr) (1.1)

Например, если Rr=0, RЭ=5 Ком, rЭ=25 Ом и β=100, то К≈0,995; если Rr=2 КОм, то К≈0,991. Напомним, что β==∆IК/∆IБ≈h21Э – дифференциальный коэффициент передачи тока базы, а α= β/ β+1. при подключении внешней нагрузки RН сопротивление RЭ заменяется на

RЭ║ RН. Несмотря на единичный коэффициент передачи напряжения, повторитель относится к классу усилителей, поскольку он усиливает ток, а значит и мощность. Это ясно из того, что между выходным (эмиттерным) и входным (базовым) токами существует хорошо известное соотношение

IЭ=( β+1) IБ,

где β>>1

т.е. К= IЭ/ IБ= β+1

Входное сопротивление определяется также как и в простейшем усилителе 

 IБrБ+IЭ(rЭ+rЭ)  IБrБ+ (β+1)IБ(rЭ+rЭ)

 IБ IБ

= rБ+ (β+1)(rЭ+rЭ) (1.2)

Если пренебречь rЭ и rБ, то

Rвх =(β+1)rЭ≈βrЭ (1.3)

Входное сопротивление можно увеличить практически не изменяя коэффициентов передачи. На  практике для повышения Rвх используют либо источник тока в эмиттерной цепи, либо составной транзистор. Если источник тока идеальный (Ri=∞), то Rвх=∞. На самом же деле Rвх имеет конечное значение, обусловленное сопротивлением коллекторного перехода. Тогда Rвхmax=rК . При токе IЭ=1 mA значение rК составляет 2-3 Мом. При конечном значении Ri входное сопротивление можно оценить как параллельное соединение rК и (β+1)Ri.

Выходное сопротивление найдем из общего определения, приведенной в предыдущей работе:

R вых= (Uвых)хх / (Ιвых)кз.

Положим сначала RН=∞ (рис.2.1.б), тогда (Uвых)хх=КUвх, где К коэффициент усиления (1.1). Затем положим RН=0, т.е. закоротим RЭ по переменному току. Тогда 

  (IВых)кз=. Таким образом,

RВых===

=RЭ ║[rЭ+(1- α)·(rБ+Rr)].  (1.4)

Пренебрегая некоторыми мало существенными величинами на практике можно пользоваться упрощенным выражением

R вых=rЭ+(1- α)Rr=rЭ+Rr/(β+1).  (1.5) 

R вых min= rЭ.

Нужно сказать, что у повторителя отношение входного и выходного сопротивления несравненно больше, чем у простейшего усилительного каскада, у которых это отношение не превышает β+1~100.

Uвхmax /Uвхmin= rK /rЭ~50000.

В связи с большим различием входного и выходного сопротивлений повторитель широко используют в качестве буферного каскада – так называемого трансформатора сопротивлений. Повторитель позволяет улучшить передачу сигнала на высоких частотах и расширить полосу пропускания. Согласовывает высокоомный выход источника сигнала с низкоомной нагрузкой, например, выход фотоумножителя со входом низкоомного (~75 Ом) коаксиального кабеля. Частотные и переходные характеристики повторителя в области низких частот в принципе не отличаются от характеристик каскада с ОЭ. Как отмечалось выше (при рассмотрении каскада с ОЭ) полоса пропускания усилительного каскада определяется двумя его постоянными времени – переходной τн и нагрузочной τв цепей, которые определяют нижнюю и верхнюю граничные частоты. Для расширения полосы пропускания нужно увеличить τн и уменьшить τв. Для нахождения частотной характеристики повторителей напряжения в области высших частот воспользуемся упрощенной эквивалентной схемой (рис.2.2)

 


Рис.2.2 Эквивалентная схема в области высших частот

Эта схема аналогична эквивалентной схеме усилительного каскада  без обратной связи для тех же частот. Но в отличии от усилителей без обратной связи величина ее постоянной времени

τв=( R вых║ Rн)с≈ R выхс≈ rЭС

 оказывается очень малой из-за небольшой величины выходного сопротивления и малой емкости. Это говорит о том, что верхняя граничная частота повторителей напряжения очень велика. В сторону нижних частот τн достаточно большая из-за большого входного сопротивления повторителя. Коэффициент усиления в широком диапазоне частот в области высших и низших частот имеют довольно сложную зависимость, описываемой громоздкой и малонаглядным выражением и поэтому ее аналитическая формула здесь не приводится.

Порядок выполнения работы

Принадлежности к работе

Лабораторный комплекс ЛКЭЛ, модуль ТР «Схемотехника транзисторов».

Многофункциональный генератор-частотомер АКТАКОМ, АНР-1001

Осциллограф сервисный универсальный ОСУ-20

2.1.4. Мультиметр М – 830В.

Схема эмиттерного повторителя, рекомендуемого для сборки на стенде лабораторного макета, приведена на рис.3.1.

 Рис.3.1 Эмиттерный повторитель.

Рабочее задание

  Установить режим работы усилителя по постоянному току. Для этого подать на базу транзистора напряжение смещения в пределах 0,6-0,7В. Затем, подавая на вход усилителя сигналы различной частоты с амплитудой порядка 1-2 В, пронаблюдать на выходе неискаженный сигнал, т.е. «прогнать» усилитель по всем частотам. При появлении искажения необходимо откорректировать смещение на базе транзистора. После всего этого нужно измерить мультиметром потенциалы на всех электродах транзистора и питание: Uк ; Uэ ; Uбэ ; и вычислить Iко.

Подать на вход повторителя синусоидальные колебания  (f~несколько Герц, 2 – 3 В), к выходу каскада подключить осциллограф, пронаблюдать колебания на входе и выходе.

Снять и построить амплитудную характеристику  Uвых =ƒ(Uвх).

Снять и построить амплитудно-частотную характеристику.

  Пронаблюдать прохождение положительного и отрицательного импульсов через каскад. Измерить амплитуду, длительность, время нарастания, спад вершины входного и выходного импульсов.

Отчет

В отчете о проделанной работе должны быть краткий конспект по теории простейшего усилителя, принципиальная и эквивалентная схема. По всем пунктам рабочего задания должны быть приведены соответствующие таблицы и графики. Интерпретация результатов измерений и полученных графиков зависимостей, а также их сравнение с теоретическими представлениями.

Контрольные вопросы

Нарисуйте принципиальную схему эмиттерного повторителя.

Нарисуйте эквивалентную схему эмиттерного повторителя.

Опишите принцип действия и характеристики эмиттерного повторителя.

От каких параметров зависит коэффициент передачи повторителя?

Как  соотносятся входные и выходные сопротивления эмиттерного повторителя?

Для каких целей используются эмиттерные повторители?

Чему равны коэффициент усиления по току и по напряжению?

Чему равны максимальное входное и минимальное выходное сопротивления эмиттерного повторителя?

Почему полоса пропускания  по частоте у эмиттерного повторителя шире, чем у RC- каскада с ОЭ?

Почему схема с ОК называется эмиттерным повторителем?

Какие параметры повторителя определяют наивысшую частоту усиливаемого сигнала?

Литература

В.И.Манаев. Основы радиоэлектроники, Радио и связь, М., 1990,512 с.

В.Н.Ушаков, О.В.Долженко Электроника: от элементов до устройств, Радио и связь, М., 1993, 352 с..

Основы радиоэлектроники. Под редакцией Г.Д.Петрухина, МАИ, М., 1993, 416 с.

И.П.Степаненко. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний, М., 2000, 488 с.

А.А.Каяцкас Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 1988, 464 с.

А.Л.Булычев, П.М.Лямин, Е.С. Тулинов. Электронные приборы, Лайт ЛТД., М., 2000, 415 с.

В.И.Нефедов. Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 2000, 399 с.

В.И.Лачин, Н.С.Савелов. Электроника. Ростов-на-Дону. «Феникс», 2009,703с.


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов