6.2.1. Ознакомиться со схемой усилителя (рис. 16).

6.2.2. Подключить питание к макетной плате, соединив «вход 1» с U1+ (установить величину +12 В), а «вход 3» с GND с разъема платы ЛАРМ «Power (U1+, GND)». «Вход 3» соединить также с U1- с разъема платы ЛАРМ. Соединения производятся цветными проводами.

6.2.3. На вход усилителя подать сигнал от генератора гармонического сигнала, соединив точку «Вход 2а» схемы с выходом генератора GenA_1, точку «Вход 2б» схемы - с выходом генератора GND, установив частоту 1 кГц и амплитуду порядка 0,1-0,2 В (см. «Руководство пользователя ЛАРМ»). Подключить к этим же точкам канал А осциллографа («Вход 2а» к СНА- ЛАРМ, GND схемы с GND ЛАРМ, СНА+ с GND на разъеме платы ЛАРМ). Канал В осциллографа подключить к выходу усилителя («Выход 1» к СНВ- ЛАРМ, GND схемы с GND ЛАРМ, СНВ+ с GND на разъеме платы ЛАРМ).

6.2.4. Подключить ключом К2 делитель напряжения (любой вариант), ключом К1 – коллекторный резистор, ключом К3 – эмиттерный резистор. Подключения производятся двухштырьковыми перемычками.

6.2.5. Убедиться в работоспособности усилителя с помощью осциллографа по наличию сигнала в точке «Выход 1».

6.2.6. Произвести качественную оценку правильности выбора рабочей точки. Для выбора рабочей точки усилителя необходимо поочередно меняя варианты подключения ключей К2, К3, К1 добиться получения на выходе формы усиленного гармонического сигнала без ограничения (типа «полочка»). Критерием правильности подключения резисторов является уменьшение «полочки» при каждом переключении ключей К2, К3, К1 по отдельности. Выбора рабочей точки подтвердить расчетом.

6.2.7. Исследовать влияние величины сопротивления коллекторного резистора (путем комбинаций R4, R5 ключом К1) на коэффициент усиления схемы при уровне входного сигнала 100 мВ; провести сравнение с расчетными оценками.

6.2.8. Снять амплитудную характеристику А_вых(А_вх) усилителя на частоте 1 кГц, наблюдая на осциллографе за трансформацией формы выходного сигнала при увеличении амплитуды входного сигнала.

6.2.9. Исследовать влияние величины емкости эмиттерного конденсатора (путем комбинаций С4, С5 ключом К4), включая случай отсутствия этого конденсатора, на коэффициент усиления.

6.2.10. Подключая к выходу усилителя сопротивления R8, R9 ключом К5, исследовать влияние нагрузки на коэффициент усиления.

6.2.11. Снять семейство амплитудно-частотных характеристик К(f) для различных значений величин разделительных конденсаторов (С1, С2) и при подключении конденсатора нагрузки С6 или С7 ключом К6.

6.2.12. Дать анализ полученных результатов.

6.2.13. Обратить внимание, что сигналы входа и выхода сдвинуты на 180º.

6.2.14. Скоммутировать схему эмиттерного повторителя. Соединить коллектор транзистора с плюсом источника питания (ключом К7), замкнуть ключ К3, подать сигнал с аналогового генератора на вход 2а (2б). Сигнал снять с эмиттерного резистора R6 (R7).

Провести исследование схемы: определить коэффициент усиления схемы.

Отчет по работе

Отчет по работе должен содержать ответы на контрольные вопросы, результаты, полученные во время выполнения работы по исходному заданию (раздел 2), схемы эксперимента, все перечисленные в разделе 6 формы сигналов, измеренные и вычисленные величины, выводы по результатам измерений.

Лабораторная работа № 4.
Исследование мультивибратора

Цель работы

Изучение механизма работы и экспериментальное ис­следование мультивибратора на биполярных транзисторах.

Задание на работу

2.1. При подготовке к работе изучить следующие вопросы: режимы работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером; процессы, протекающие в схеме мультивибратора; временные диаграммы напряжений на электродах транзисторов; расчет периода повторения и длительности импульсов, генерируемых мультивибратором.

2.2. Для выбранных элементов схемы рассчитать длительности импульсов мультивибратора. Собрать схему мультивибратора и изучить изменение временных диаграмм генерируемых напряжений на базах и коллекторах транзисторов при вариации элементов схемы. Сравнить рассчитанные длительности импульсов с измеренными экспериментально.

Методические указания

Все автоколебательные процессы, формируемые электронными цепями, можно разделить на три группы: квазигармонические, релаксационные и хаотические. Квазигармонические процессы имеют форму, близкую к синусоидальной, релаксационные процессы имеют вид пилообразных, треугольных и других периодических разрывных колебаний. Хаотические типы движений, в отличие от первых двух, никогда не повторяются во времени.

Со спектральной точки зрения между этими группами сигналов также имеются существенные различия. Квазигармонические процессы обладают узкой, близкой к нулю шириной спектральной линии. Хаотические процессы имеют широкий спектр с почти равномерной спектральной плотностью мощности. Релаксационные колебания занимают промежуточное положение между гармоническими и хаотическими: их спектр широк, но представляет собой набор дискретных колебаний (гармоник) с частотами ω_n= n ω₁, где ω₁ - частота повторения релаксационных колебаний, а n= 1, 2, 3 ...

Релаксационные колебания могут быть получены в схемах, аналогичных схемам автогенераторов гармонических колебаний. Большинство генераторов строятся на основе усилителей с положительной обратной связью. Положительная обратная связь создаётся путём подачи части напряжения с выхода усилителя (напряжение обратной связи) на его вход в фазе с исходным переменным сигналом. Если напряжение обратной связи оказывается больше первоначального, то амплитуда напряжения на выходе усилителя возрастает и, значит, увеличивается часть вновь поступающего на вход напряжения. Процесс роста амплитуды колебаний идет до тех пор, пока не наступит ограничение её вследствие нелинейности характеристик активных элементов усилителей. Таким образом, усилитель возбуждается и переходит в качественно новое состояние - становится автогенератором.

При таком качественном рассмотрении процесса можно понять, что возбуждение усилителя с положительной обратной связью может произойти при действии шумового сигнала на входе, причиной которого являются флуктуации тока в цепях усилителя.

Мультивибратор является одним из самых распространенных генераторов импульсов почти прямоугольной формы. Прямоугольные импульсы в мультивибраторе, усилительные каскады которого собраны на биполярных транзисторах, создаются за счет работы транзисторов в режиме ключа (резкого перехода транзистора из запертого состояния в состояние насыщения). Поэтому прежде чем анализировать работу мультивибратора рассмотрим более детально ключевой и другие возможные режимы работы биполярного транзистора в схеме усилителя.

3.1. Анализ схемы включения транзистора с общим
эмиттером

Биполярный транзистор - прибор, состоящий из трех полупроводниковых кристаллов с чередующимся типом примесной проводимости и тремя электрическими выводами.

На рис. 1 показан n-р-n-транзистор и приведено его обозначение в схемах. Левый р-n-переход называется эмиттерным, через него течёт ток эмиттера I_э. Правый р-n-переход называется коллекторным и через него протекает ток коллектора I_к. Ток через базовый контакт называется базовым I_б. Обычно концентрация дырок в базе много меньше концентрации электронов в эмиттере и коллекторе. Поэтому ток эмиттера практически полностью определяется инжектированными электронами эмиттера. Часть электронов эмиттера, прошедших через коллекторный переход, образуют ток коллектора, остальные - ток базы, то есть всегда I_э=I_к+I_б.

Величины токов эмиттера, коллектора и базы зависят от знака и величины напряжений на двух переходах: U_6э и U_кб. При различных комбинациях напряжений на переходах транзистор может работать в разных режимах. Поэтому одна и та же схема с транзистором выполняет различные преобразования сигнала.

Проведем анализ работы схемы с n-р-n-транзистором при его включении с общим эмиттером (ОЭ), показанной на рис. 2. В схеме транзистор соединен последовательно с резистором R_к относительно источника постоянного тока Е_к. Направления токов базы, коллектора и эмиттера показаны стрелками. Во входную цепь транзистора (цепь база -эмиттер) подается напряжение U_вх = U_6э. Выходное напряжение - напряжение между коллектором и эмиттером U_вых = U_кэ. Как видим, эмиттер является общим электродом для входа и выхода схемы, отсюда название включения транзистора в схеме рис. 2 - с общим эмиттером.

Схема рис. 2 является четырехполюсником, и для его анализа нужно найти зависимость между выходным и входным напряжениями, то есть передаточную характеристику схемы. Эта характеристика будет определяться режимами работы транзистора в схеме.

На рис. 3 приведено семейство статических входных характеристик собственно n-р-n-транзистора I₆ = F(U_кэ) снятых при двух фиксированных напряжениях на коллекторе U_кэ (0 и 5 В), и семейство выходных статических характеристик I_к= F(U_кэ) при нескольких фиксированных значениях тока базы (0, 20, 40 мкА и т.д.).

В зависимости от величины и знака U_бэ транзистор в схеме, изображенной на рис. 2, может работать в трех режимах.

Передаточную характеристику схемы можно найти, записав второй закон Кирхгофа для коллекторной цепи (рис. 2):

.                                                                       (1)

Это соотношение устанавливает связь между напряжением на выходе схемы и коллекторным током, который, в свою очередь, определяется режимом работы транзистора.

Режим отсечки. Если U_бэ≤ 0, то, как следует из рис. 1, первый переход заперт и основные носители заряда эмиттера - электроны - не проходят в область базы. Из рис. 1 и рис. 2 видно, что второй переход тоже заперт. Режим работы транзистора, когда оба перехода заперты, называется режимом отсечки. Через эмиттерный и коллекторный переходы в этом режиме текут малые обратные токи i_э0 и i_к0, так как они обусловлены собственными электронами базы. Вследствие малой площади эмиттерного перехода ток i_э0<<i_к0,. Поэтому в режиме отсечки сопротивление транзистора, равное R_тр= U_кэ/i_к0, оказывается чрезвычайно большим и можно считать, что транзистор практически размыкает цепь между коллектором и эмиттером в схеме рис. 2. В этом случае из (1) получаем на выходе схемы

.

Если напряжение на базе U_бэ становится положительным, то первый переход открывается и через него течет ток эмиттера I_э, обеспечивающий токи коллектора I_к и базы I_б. Хотя ток эмиттера отличен от нуля при любом малом положительном напряжении на базе, ток базы практически становится заметным лишь при напряжении больше некоторого порогового U_бэ.пор. Для кремниевых транзисторов U_бэ.пор ≈ 0,6 В.

Таким образом, транзистор открывается при U_бэ≥U_бэ.пор. Однако соотношение между I_к и I_б зависит от соотношения между величинами U_бэ и U_кэ. Поэтому для открытого транзистора различают активный режим работы и режим насыщения.

Активный режим работы. При U_кэ > U_бэ ≥ U_бэ.пор первый переход открыт, а второй заперт. Режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный - заперт, называют активным. В этом случае электроны инжектируются из эмиттера, создавая значительный ток эмиттера I_э и попадают в базу, где являются неосновными носителями заряда. Так как толщина базы делается меньше диффузионной длины пробега электронов, большая часть электронов не успевает рекомбинировать с дырками базы, достигает второго перехода и проходит через него, поскольку для неосновных носителей базы переход открыт. Меньшая часть электронов образует ток базы. Таким образом, при условии U_бэ < U_кэ коллекторный ток оказывается пропорциональным и почти равным току эмиттера I_к = αI_э, где коэффициент α немного меньше единицы.

В рассматриваемой схеме ток базы является входным, а ток коллектора - выходным. Поскольку, как указано выше, ток базы много меньше тока коллектора, то коэффициент передачи транзистора по току β = I_вых/I_вх= I_к/I_б много больше единицы и его называют статическим коэффициентом усиления по току транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. Пропорциональность тока коллектора току базы означает возможность управления выходным током за счет изменения входного тока. В свою очередь, как это видно из входных характеристик (см. рис. З), значительные изменения тока базы могут быть вызваны малыми изменениями напряжения на базе. Можно сказать, что в схеме рис.2 транзистор в активном режиме является нелинейным, электрически управляемым резистором и базовый вывод - управляющий электрод. Это свойство транзистора в активном режиме используется в схемах для различных преобразований электрических сигналов, поступающих в базовую цепь, в том числе для усиления сигналов (см. описание к лабораторной работе «Усилитель на биполярном транзисторе»).

Итак, в активном режиме работы транзистора напряжение на выходе схемы зависит от величины U_бэ и может быть определено из (1)

.

Режим насыщения. Если U_бэ > U_кэ, то оба перехода открыты. Такой режим работы транзистора называют режимом насыщения. В этом случае ток коллектора зависит от напряжения на коллекторе U_кэ и практически не зависит от тока базы. В режиме насыщения возможность управления выходным током открытого транзистора со стороны входа теряется. Как показывает эксперимент, для кремниевых транзисторов режим насыщения наступает при U_бэ = U_б.нас ≈ 0,8 В. Так как в режиме насыщения оба перехода открыты, сопротивление транзистора R_тр мало. Очевидно, при этом коллекторный ток близок к максимальному

.

Из соотношения (1) следует, что напряжение на выходе схемы при работе транзистора в режиме насыщения равно , то есть близко к нулю. Иначе говоря, транзистор практически накоротко замыкает выход четырехполюсника.

Подводя итог сказанному выше, можно графически изобразить примерную передаточную характеристику схемы рис. 2, то есть зависимость U_вых = U_кэ от U_вх = U_бэ. Эта характеристика приведена на рис. 4. Участок АБ передаточной характеристики, когда происходит резкое изменение выходного напряжения при изменении входного, соответствует активному режиму работы транзистора. Активный режим существует в конечной области напряжений на базе U_б.нас > U_бэ ≥ U_бэ.пор.

Для кремниевых транзисторов эта область заключена между 0,8 В ≥ U_бэ ≥ 0,6 В.

Очевидно, при всех U_бэ ≤ U_бэ.пор транзистор находится в режиме отсечки, а при всех U_бэ ≥ U_б.нас - в режиме насыщения.

Ключевой режим работы транзистора. Из рис. 4 следует, что если на базу транзистора поступает прямоугольный импульс напряжения, переводящий транзистор передним фронтом из режима отсечки (R_тр → ∞) в режим насыщения (R_тр → 0), а задним фронтом (срезом) - из режима насыщения в режим отсечки, транзистор работает как ключ, практически размыкая коллекторную цепь в режиме отсечки и замыкая ее в режиме насыщения. Такой режим работы транзистора называют ключевым, а схему рис. 2- электронным (транзисторным) ключом.

В ключевом режиме работают транзисторы, например, с цифровым двоичным сигналом. Низкий уровень входного цифрового сигнала (логический нуль) переводит транзистор в режим отсечки и напряжение на выходе схемы U_кэ ≈ Е_к, что соответствует логической единице. Высокий уровень цифрового сигнала (логическая единица) переводит транзистор в режим насыщения и напряжение на выходе схемы становится U_кэ ≈ 0, что соответствует логическому нулю. В этом случае схема рис. 2 выполняет операцию логического отрицания (инверсии) и может использоваться в качестве базового логического элемента НЕ.

В ключевом режиме работают транзисторы и в схеме мультивибратора.