Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов направления 210100 «Электроника и наноэлектроника»



страница6/7
Дата31.07.2016
Размер0.9 Mb.
ТипМетодические указания
1   2   3   4   5   6   7

6.2. Описание лабораторного макета
Схема лабораторного макета представлена на рис. 6.4. Она содержит три рассмотренных выше каскада, снабжённых регулировочными и измерительными элементами. В схему с ОЗ введён измерительный резистор R1, с помощью которого определяется входной ток каскада. Во всех каскадах использованы идентичные по параметрам транзисторы. Это позволяет осуществлять сравнительную оценку свойств каскадов.

Для контроля режима работы ПТ имеются дополнительные клеммы. Макет подключается к источнику питания +12 В. В качестве источника входного сигнала используется звуковой генератор. Выходное сопротивление генератора устанавливается минимально возможным. На выход каскадов подключается вольтметр переменного напряжения или осциллограф.

В процессе измерений выводы корпусов приборов соединяются с общим проводом макета. Амплитуда входного сигнала не должна быть больше 1 В для схем с ОИ и ОЗ и 5В для схем с ОС.

Вывод +12 В источника питания подключается к клемме +12 В макета. Вывод «общий» источника питания подключается к общему проводу макета.




Рис. 6.3.
6.3. Расчётное задание
При указанных на рис. 6.4 номиналах элементов рассчитать для всех схем включения ПТ:

− величины параметров Ku, Rвх, Rвых в области средних частот.

− значения частот ωн, ωв.

При расчёте положить S = 4 мА/В, Ri = 100 кОм, Cн = 15нФ, Rн = = 10 кОм.

Расчётные соотношения приведены в п. 1, 2, 3 методических указаний.
6.4. Лабораторное задание
1. Измерить амплитудно-частотную характеристику каскадов Ku(ω) в диапазоне частот f = 20 Гц÷20 кГц при включенной и отключенной ёмкости Cн и сопротивлении нагрузки Rн = 5 кОм. При этом входное напряжение для схем с ОИ и ОЗ должно составлять 0,1 В, а для схем с ОС – 1 В.

Выходное напряжение каскадов следует измерять вольтметром переменного напряжения. Форма выходного напряжения контролируется при помощи осциллографа.



Результаты измерений занести в таблицу:


Тип каскада

Cн, нФ

f, Гц

20

50

102

2·102

5·102

103

2·103

5·103

104

2·104

ОИ

0































15































ОС

0































15































ОЗ

0































15
































2. Измерить зависимость коэффициентов усиления каскадов от сопротивления нагрузки на частоте f = 103 Гц при Cн = 0. Входное напряжение для каждого каскада поддерживать на уровне, заданном в п. 5.1.

Рис. 6. 4.

Результаты измерений свести в таблицу:


Тип

каскада


Rн, K

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ОИ































ОС































ОЗ
































3. Определить входное сопротивление каждого из каскадов, воспользовавшись результатами измерений п. 5.2.
; . (6.44)
где Ku1, Ku2 – значения Ku, полученные соответственно при Rн = Rн1 и Rн = Rн2.

4. Определить входное сопротивление каскада с ОЗ на частоте 1 кГц при Rн = 10 кОм, Cн = 0.

Для этого с помощью R1 при Uвх = 0,1 В измерить величину входного тока каскада


.
Напряжение UR1 измерять вольтметром переменного напряжения, при этом общий провод вольтметра подключать к верхнему по схеме выводу R1 (рис. 6.4.в). Далее воспользоваться соотношением:
,
где Uвх измеряется относительно нижнего вывода R1 и общего провода.

6.6. Контрольные вопросы
1. Дайте сравнительную характеристику каскадов по параметрам Ku, Rвх, Rвых и частотным свойствам.

2. Чем объясняется более высокая устойчивость к самовозбуждению с ОЗ в сравнении с остальными двумя схемами включения ПТ?

3. Как влияет выходная проводимость транзистора qi на параметр Ku каскадов с ОИ и ОЗ?

4. Чем объясняется низкое выходное сопротивление каскада с ОС?

5. Опишите методику измерения выходного сопротивления каскадов.
Литература
1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем. М.: Мир, 1982.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1,2. Пер. с англ. М.: Мир, 1983.

3. Мамонкин И. Г. Усилительные устройства. М.: Связь, 1977.

4. Усилители с полевыми транзисторами/ Под ред. Степаненко И. М.: Советское радио, 1980.



Лабораторная работа № 7
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ


Цель работы: изучение свойств и измерение основных параметров каскадов с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой.
7.1. Основные теоретические положения
Каскад по схеме с общим эмиттером
Включение биполярного транзистора (БТ) по схеме сообщим эмиттером (ОЭ) является основным, так как обеспечивает наибольшее усиление по мощности. В этой схеме эмиттер транзистора соединён по переменному току с источником сигнала и сопротивлением нагрузки.

Типовая схема каскада с ОЭ приведена на рис. 1 а. Назначение элементов схемы следующее:

− делитель Rб1, Rб2 обеспечивает смещение транзистора;

− резистор Rэ образует цепь отрицательной обратной связи (ООС), необходимую для стабилизации работы БТ по постоянному току;

− резистор Rк служит для протекания тока коллектора транзистора;

− элементы Cн, Rн представляют собой эквивалент реальной нагрузки ;

− ёмкости Cб, Cк являются разделительными;

− ёмкость Cэ нейтрализует действие ООС «z»-типа, возникающей за счёт резистора Rэ.

Параметры каскада в различных областях частот получаются из рассмотрения эквивалентной схемы, представленной на рис. 7.1 б. На этой схеме:
,



Рис. 7.1.

− входная проводимость БТ; − коэффициент передачи тока базы; – крутизна проходной характеристики БТ; φT = 26·10-3 В – термодинамический потенциал, рассчитанный при t = 20˚С; Cбк – междуэлектродная ёмкость перехода коллектор – база; Ri – внутренняя проводимость БТ.

В области средних частот сопротивления емкостей Cб, Cк, Cэ пренебрежимо малы, а емкости Cбк, Cн имеют ещё достаточно высокое сопротивление. В результате эквивалентная схема каскада упрощается, и её параметры получают следующее выражение:


, (7.1)
, (7.2)
, (7.3)
, (7.4)
где .

Максимально возможный размах напряжения и тока в нагрузке составит:



(7.5)
, (7.6)

где Iэ – постоянная составляющая тока эмиттера.

В области высоких частот необходимо учесть сопротивления емкостей Cбк, Cн и выражения для параметров каскада принимают следующий вид:
, (7.7)

где p = j·ω, ω – угловая частота сигнала, Ku(ω) и φu(ω) соответственно амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики каскада.



, (7.8)
, (7.9)
, (7.10)
. (7.11)
С ростом частоты величина Кu каскада уменьшается, что объясняется действием емкостей Cбк и Сн. Особенно сильное влияние производит емкость Сн, шунтирующая нагрузку. Кроме того, входная емкость каскада оказывается весьма значительной и тем большей, чем больше усиление схемы.

Следует отметить, что на усилительные свойства каскада с ОЗ оказывают сильное влияние граничные частоты самого транзистора fа и . Это частоты, на которых коэффициенты и уменьшаются на 3 дБ, т.е. в раз. В результате граничная частота АЧХ каскада, определённая на уровне 3 дБ, по формуле (7.8):


, (7.12)
не может превышать величины На практике из двух частот b1 и b2 выбирают ту, которая оказывается меньше.

В области низких частот сопротивления емкостей Cбк и Cн не учитывают, в отличие от сопротивления емкостей Cбк, Cк, Cэ. В результате выражения для параметров каскада усложняются:



,(7.13)
,(7.14)
, (7.15)
, (7.16)
. (7.17)
Из приведенных соотношений следует, что с понижением частоты Кu(ω) падает.

Это является следствием увеличения сопротивления разделительных емкостей Cб, Ск и усиления действия ООС «Z»-типа через резистор Rн.

Нижняя граничная частота каскада определяется наименьшей из постоянных времени ; ; по формуле
.

При отсутствии блокирующей ёмкости Сэ из (7.13) следует известная формула для Кu каскада в области средних частот, учитывающая действие ООС «Z»-типа:


. (7.18)
Амплитудно-частотная характеристика схемы с ОЭ в полном диапазоне частот приведена на рис. 7.1 в.

В заключение отметим, что знак «минус» в выражениях для каскада означает, что в нём происходит инверсия фазы усиливаемого сигнала, т.е. изменение этой фазы на величину .


Каскад по схеме с общим коллектором
Каскад по схеме с общим коллектором (ОК) называется иначе эмиттерным повторителем напряжения. Коллектор транзистора, источник сигнала и сопротивление нагрузки соединены в каскаде по переменному току. Ввиду присутствия в схеме с ОК глубокой ООС «H»-типа, величина Ku её меньше единицы. При этом в каскаде увеличивается входное сопротивление Rвх и уменьшается входная ёмкость Свх. Выходное сопротивление схемы Rвых мало, что обеспечивает возможность работы каскада на низкоомную нагрузку.

Типовая схема каскада с ОК приведена на рис. 2 а. В отличие от схемы с ОЗ, резистор обратной связи Rэ, является в каскаде с ОК нагрузочным для транзистора.

Из рассмотрения эквивалентной схемы каскада, представленной на рис. 2 б, могут быть получены соотношения для его параметров в различных областях частот.

В диапазоне средних частот пренебрегаем действием ёмкостей схемы. Получаем следующие выражения для параметров каскада:


; (7.19)
; (7.20)
; (7.21)
. (7.22)
Максимально возможные размахи тока и напряжения в нагрузке выразятся:

Up = Ep; (7.23)
Рис.7.2.

В области умеренных частот следует учесть шунтирующее действие нагрузочной ёмкости Сн. При этом получим:


(7.24)
(7.25)
. (7.26)
Верхняя граничная частота схемы, определённая по формуле (7.25), составит:

. (7.27)
Однако в случае с БТ следует учесть граничную частоту f самого транзистора. При этом оказывается, что ωb < 2πf. На практике получается, что, несмотря на глубокую ООС, частота f оказывается лишь в раз выше, чем для аналогичной схемы с ОЭ. Это объясняется резким ухудшением усилительных свойств БТ на частотах  > 2f.

В области низких частот учёт сопротивления разделительных ёмкостей Сн, Сэ приводит к следующему выражению для величины Кu каскада:


; (7.28)

,(7.29)
u() =  – arctg1 – arctgн . (7.30)
Завал АЧХ в области низких частот объясняется теми же причинами, что и в схеме с ОЗ. При этом значение частоты н, определённое на уровне 3 дБ, составит:
, (7.31)
где  равняется наименьшей из величин1, 2. Общая АЧХ каскада с ОК приведена на рис. 2 в.
Каскад по схеме с общей базой
Каскад по схеме с общей базой (ОБ), или иначе повторитель тока, имеет усиление по току порядка единицы. В этом каскаде база БТ соединена по переменному току с источником сигнала и сопротивлением нагрузки. В схеме действует глубокая ООС «K»-типа, снижающая усиление по току и входное сопротивление. Одновременно выходное сопротивление каскада возрастает, что обеспечивает получение больших значений Кu. Типовая схема каскада приведена на рис. 7.3. Назначение элементов схемы, за исключением Cэ и Сб , такое же, как и в каскаде с ОЭ. Ёмкость Сэ является разделительной, а ёмкость Сб – блокировочной, заземляющей базу БТ по переменному току.

Эквивалентная схема каскада показана на рис. 3 б. Согласно этой схеме определяются параметры каскада в режиме малого сигнала.

В области средних частот сопротивления ёмкостей Cэ, Cк, Cб пренебрежимо малы, а сопротивление ёмкости Cн весьма велико. В результате упрощения эквивалентной схемы получаем следующие выражения для параметров каскада:


Рис. 7.3.

; (7.32)

; (7.33)

; (7.34)

; (7.35)

Предельные размахи тока и напряжения в нагрузке составят:


; (7.36)

Iр = upgн. (7.37)
В области высоких частот необходимо учесть шунтирующее действие ёмкости нагрузки. Тогда получим следующую зависимость для величины Кu

; (7.38)

; (7.39)

; (7.40)

Как и для всех рассмотренных ранее каскадов, усиление схемы с ОБ падает с ростом частоты. При этом верхняя граничная частота b составит:



. (7.41)

Граничная частота усиления самого транзистора в схеме с ОБ определяется параметром fa = f( + 1) >> f, поэтому частотные свойства каскада оказываются наилучшими в сравнении со схемами ОЭ и ОК. Кроме того, устойчивость каскада с ОБ в области высоких частот гораздо лучше, чем у двух рассмотренных ранее схем включения БТ. Это объясняется малой величиной ёмкости связи между входом и выходом вследствие экранирующего действия заземлённой базы.

В области низких частот сопротивлением ёмкостей Сб, Ск пренебрегать нельзя. В результате получаем следующие формулы для величины Кu каскада:
,(7.42)
где

.
; (7.43)
. (7.44)
Результирующая АЧХ каскада представлена на рис. 7.3.в. Частота н определяется наименьшей из постоянных 1, н, по формуле (31).

В заключение отметим, что каскады с ОБ и ОК не инвертируют фазу входного сигнала в отличие от каскада с ОЭ.


Каталог: Portals
Portals -> Правила оформления тезисов докладов и статьей Текст и рисунки должны быть черно-белыми!!! Статья и тезисы доклада должны быть предоставлены в двух форматах ms
Portals -> Ю. С. Андрианов (Россия, Йошкар-Ола)
Portals -> Программа шестой международной научной школы «наука и инновации 2011»
Portals -> Возраст: 22 года Семейное положение
Portals -> Программные продукты, полученные в 2015 году
Portals -> Методические указания к лабораторным работам (на стенде тмж-2) Для студентов направления 270800 "Строительство"


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница