close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

529.Усилительные каскады на биполярных транзисторах Артемов К С

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Кафедра радиофизики
К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова
Усилительные каскады
на биполярных транзисторах
Методические указания
Рекомендовано
Научно-методическим советом университета
для студентов, обучающихся по специальностям Радиофизика и
электроника, Физика и направлению Телекоммуникации
Ярославль 2007
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.375
ББК З 846я73
А 86
Рекомендовано
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2007 года
Рецензент
кафедра радиофизики Ярославского государственного
университета им. П.Г. Демидова
А 86
Артемов, К.С. Усилительные каскады на биполярных
транзисторах: метод. указания / К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. – 40 с.
В методических указаниях излагаются основы теории
транзисторных усилительных устройств. Данные методические указания включают три лабораторные работы и задание по расчету усилительных каскадов.
Предназначены для студентов, обучающихся по направлению 210400 Телекоммуникации и специальностям 010801
Радиофизика и электроника, 010701 Физика (дисциплины
«Основы схемотехники», «Аналоговая и цифровая электроника», «Полупроводниковая электроника», блок ОПД, ДС),
всех форм обучения.
УДК 621.375
ББК З 846я73
© Ярославский государственный университет, 2007
© К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова, 2007
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Краткая теория
Транзистор (Т) как элемент схемы представляет собой активный трехполюсник, имеющий три внешних электрода: эмиттер,
коллектор и базу. В электронных схемах Т используют как
четырехполюсник. В зависимости от того, какой из трех
электродов транзистора оказывается общим для входной и
выходной цепей, различают три схемы включения Т и три схемы
усилительных каскадов:
1) схема с общим эмиттером (ОЭ);
2) схема с общей базой (ОБ);
3) схема с общим коллектором (ОК).
При рассмотрении работы Т в усилительных схемах обычно
речь идет о работе с малыми сигналами. Сигнал считается малым,
если при его изменении в два раза величина измеряемого параметра (например, коэффициента передачи по напряжению) остается
неизменной в пределах точности измерения. При этом можно
считать характеристики триода (в области перемещения рабочей
точки) прямолинейными, а триод может быть представлен
эквивалентной схемой, содержащей линейные элементы цепи и
источники энергии.
Необходимыми элементами схемы любого каскада являются
цепи смещения, определяющие режим работы Т по постоянному
току (рабочую точку Т в области линейных участков вольтамперных характеристик Т). К таким элементам в общем случае
относятся резисторы в цепях базы ( Rб ), эмиттера ( Rэ ) и коллектора
( Rк ), а также источники питания постоянного тока ( Ек , Еэ , Еб ). В
конкретных схемах задания рабочей точки используются не все
указанные элементы.
Для анализа схем усилительных каскадов применяется хорошо
разработанная теория четырехполюсников. Наиболее удобной является система h-параметров, так как при их практическом определении для Т может быть достигнута наибольшая точность. Системе
h -параметров соответствует эквивалентная схема, делающая
расчет каскадов более наглядным.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для практических расчетов схем на транзисторах нашли широкое применение также эквивалентные схемы, в которые входят физические параметры Т.
rк
rэ
Э
Uэ
Iэ
–
+
Iк
αI э
μ экU к
Iб
rб
К
Uк
Б
а)
rк *
Б
Uб
rб
Iб
βI б
Iк
К
–
μ экU к
Uк
+
I э rэ
Э
б)
Рис. 1. Эквивалентные схемы транзисторов ОБ (а) и ОЭ (б)
На рис. 1 показаны:
rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;
rб – омическое сопротивление базы;
– дифференциальное сопротивление коллекторного
rк
перехода в схеме ОБ, rк * – то же для схемы ОЭ (рис. 1,б);
α – статический коэффициент передачи тока эмиттера;
β – статический коэффициент передачи тока базы;
μ эк – коэффициент обратной связи Т по напряжению.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для схемы ОБ μ эк =
rб
rэ
, для схемы ОЭ: μ эк =
.
rб + rк
rэ + rк *
Связь между некоторыми параметрами схем ОБ и ОЭ:
rк * = rк (1 − α ) =
rк
α
β
;α=
;β=
.
1−α
1+ β
1+ β
В радиоэлектронике находят применение как одиночные каскады, так и многокаскадные усилительные устройства, или просто
усилители. Усиливаемыми параметрами являются ток, напряжение
или, в конечном итоге, мощность. По роду усиливаемых сигналов
их подразделяют на усилители гармонических сигналов и
усилители импульсных сигналов. Существует деление усилителей
на усилители постоянного тока и усилители переменного тока.
Классифицируют усилители также по частотным диапазонам
(низкой, высокой частоты, широкополосные, избирательные), по
назначению и пр.
Усилители характеризуются усилительными, частотными и
временными параметрами. Рассмотрим основные параметры.
1. Коэффициент передачи – отношение выходного сигнала к
однородному входному: коэффициенты передачи по напряжению
KU (отношение напряжения на выходе к ЭДС генератора или напряжению на входе), току K I (отношение тока в нагрузке к току
генератора или входному), мощности K P . Если коэффициент
передачи больше единицы, его называют коэффициентом
усиления. Коэффициенты передачи выражают в относительных
единицах или в логарифмических единицах – децибелах [дБ]:
KU = 20 lg(U вых / Eг ) , K I = 20 lg( I н / I г ) , K P = 10 lg( Pвых / Pвх ) .
2. Входное сопротивление – сопротивление, которое оказывает
усилитель действию генератора сигнала, являясь для него нагрузкой.
3. Выходное сопротивление – сопротивление усилителя по отношению к нагрузке, для которой усилитель рассматривается как
генератор, т. е. источник сигнала.
На рис. 2 дана схема замещения (эквивалентная схема) усилителя,
показывающая параметры KU , Rвх , Rвых и содержащая источник
сигнала (генератор э.д.с.) с сопротивлением R Г и нагрузку RН .
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
RГ
I вх
I вых
Rвх Rвых
U вх
ЕГ
U вых
RН
КU U вх
Рис. 2. Эквивалентная схема усилительного каскада
4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного
сигнала (рис. 3а). На рисунке показана область средних частот, где
| KU | не зависит от частоты и равен KU 0 , области низших и высших
частот.
KU
1
0,9
KU
KU 0
Δ
0,7 KU 0
0,1
tу
0 fн
а)
fв
t
tU
f
в)
+ ϕ , град
U вых
f
− ϕ , град
U вх
б)
г)
Рис. 3. АЧХ (а), ФЧХ (б), переходная (в) и амплитудная (г) характеристики
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Частоты, на которых коэффициент передачи равен
KU 0
2
, назы-
ваются граничными – f н и f в .
Для области низших частот: f н – нижняя граничная частота;
2πf н = ωн – циклическая нижняя граничная частота; комплексный
коэффициент передачи, амплитудно-частотная характеристика
(АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи KU :
KU ( jω ) =
KU 0
; KU ( jω ) =
ω
1− j н
ω
KU 0
ω 
1+  н 
ω 
2
ω
; ϕ = arctg н ,
ω
где KU 0 – коэффициент передачи по напряжению в области
средних частот; 1 / ωн = τ н – постоянная времени в области нижних
частот; КU (t ) = КU 0 e − t / τ н – переходная характеристика KU , t –
время.
Для области высших частот:
f в – верхняя граничная частота; 2πf в = ωв – циклическая
верхняя граничная частота; комплексный коэффициент передачи
по напряжению, его АЧХ и ФЧХ:
KU ( jω ) =
(
KU 0
1+ j
ω
ωв
; KU ( jω ) =
KU 0
ω 
1 +  
 ωв 
2
; ϕ = − arctg
ω
.
ωв
)
КU (t ) = КU 0 1 − e − t / τ в – переходная характеристика KU .
5. Фазочастотная характеристика – зависимость угла сдвига
фазы между входным и выходным сигналом (например, между напряжением) от частоты. Пример фазочастотной характеристики
показан на рисунке 3, б.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного
значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от
амплитуды синусоидального входного напряжения (рис. 3, г).
7. Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения при подаче на вход скачка напряжения
(рис. 3, в).
На
рисунке
показана
переходная
характеристика.
Максимальный коэффициент KU условно принят за единицу
(нормирован). Искажение в области малых времен характеризуется
временем установления t у , а искажение в области больших времен
– спадом плоской вершины Δ .
8. Коэффициент нелинейных искажений – корень квадратный
отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала,
появляющихся из-за нелинейных искажений (нелинейности вольтамперной характеристики усилительного элемента), к полной выходной мощности.
2
P2 + P3 + P4 + ... + Pn
I 22m + I 32m + ... + I nm
=
=
K НИ =
2
2
2
2
P1 + P2 + P3 + ... + Pn
I1m + I 2m + I 3m + ... + I nm
2
U 22m + U 32m + ... + U nm
.
=
2
U12m + U 22m + U 32m + ... + U nm
9. Коэффициент гармоник – корень квадратный из отношения
мощностей всех гармоник выходного сигнала (кроме первой) к
мощности первой гармоники:
KГ =
2
2
P2 + P3 + P4 + ... + Pn
I 2 + I 32m + ... + I nm
U 22m + U 32m + ... + U nm
= 2m
=
P1
I12m
U12m
где Pn – мощность n–й гармонической составляющей выходного
сигнала; U nm , I nm – амплитуды напряжений и тока n–й гармонической составляющей выходного сигнала.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10. Коэффициенты частотных искажений:
MВ
K
K
M Н = U 0 = 20 ln U 0
 K
K U
 U

=


K
K
= U 0 = 20 ln U 0
 K U
K U


=


 f 
= 1 +  
 fн 
KU 0
KU 0
1+ ( f / fн )
2
;
2
KU 0
KU 0
2
 f 
 .
= 1 + 
f
 В
1 + ( f / f В )2
Описание лабораторной установки
Лицевая панель лабораторного стенда, включающая его упрощенную схему и необходимые вспомогательные элементы, представлена на рис. 4. Любая из исследуемых схем транзисторных
усилителей может быть построена подключением к выводам
транзистора соответствующих пассивных элементов с помощью
переключателей S1 – S 6 . Лабораторный стенд, помимо исследуемого устройства, включает в себя генератор входного сигнала и мультиметр, позволяющий измерять напряжения в контрольных точках
каждого из исследуемых усилителей.
Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке
осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и
ее значение. Генератор входного сигнала может формировать синусоидальный и треугольный сигналы и периодическую последовательность прямоугольных и пилообразных импульсов. Частота
сигнала может дискретно изменяться с помощью соответствующих
кнопок, расположенных на лицевой панели лабораторного стенда.
Амплитуда сигнала дискретно регулируется с помощью соответствующего аттенюатора. В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам. При этом с помощью соответствующих
кнопок управления каждый канал осциллографа может независимо
подключаться к любой контрольной точке.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Схема лабораторного стенда
Управление переключателями S1 – S 6 также осуществляется с
помощью кнопок управления, расположенных в нижней части лицевой панели стенда, путем однократного нажатия на кнопку и
удержания ее в течение 0,5 с. Текущее положение любого переключателя индицируется зажиганием соответствующего светодиода.
Необходимо отметить, что с целью обеспечения возможности
наблюдения влияния инерционных свойств транзистора на соответствующие характеристики различных усилительных каскадов
при сравнительно низких частотах входного сигнала, межэлектродные емкости транзистора увеличены в 1000 раз по сравнению с
их реальными значениями.
Подключение измерительных приборов для проведения необходимых исследований: двухлучевого осциллографа, осциллографа, вольтметров, фазометра и персональной ЭВМ к лабораторному
стенду осуществляется с помощью соответствующих разъемов,
выведенных на заднюю панель стенда.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 1
Каскад с общим эмиттером
Цели работы: изучение основных характеристик каскада, приоб-
ретение практических навыков построения схем усилительных
каскадов, изучение основных факторов, влияющих на ход амплитудно-частотной характеристики каскада, знакомство со схемами
частотной коррекции, исследование искажений импульсного сигнала.
Приборы: лабораторный стенд, вольтметр переменного тока,
фазометр, осциллограф.
Краткая теория
Одна из возможных схем каскада с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. 5. Ток смещения коллекторной и базовой цепи обеспечивается общим источником питания Eк и резисторами Rб и Rк .
− Ек
RГ
C1
Rб
Rк
Т
EГ
C2
RН
Рис. 5. Простейший усилительный каскад ОЭ
Семейство входных характеристик p-n-p-транзистора, включенного по схеме с ОЭ, приведено на рис. 6. Эти характеристики
для разных U кэ расположены близко друг к другу, что говорит о
слабом влиянии выходной цепи на входную (малая величина μ эк ).
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
I б , мкА
30
U кэ = −10
U кэ = −5
20
U кэ = −1
U кэ = −0
10
0,1
0,2
U бэ , В
Рис. 6. Входные характеристики p-n-p-транзистора по схеме с ОЭ
Выберем из семейства кривую с U кэ = −5 В.
Рабочая точка А на входной характеристике (рис. 7) получается в результате пересечения входной вольт-амперной характеристики Т и нагрузочной прямой базовой цепи: источник питания –
Rб – база – эмиттер – земля – источник питания. Для этого контура
по Кирхгофу: Eк = I б Rб + U бэ .
Из геометрических построений следует, что ctgα = Rб . Подадим
на вход гармонический сигнал. Если сопротивление источника
синала R Г = 0 , то ось времени функции E Г (t ) перпендикулярна оси
U бэ и проходит через рабочую точку U бэ А , U бэ = U вх ≡ E Г . Если же
R Г ≠ 0 , то сигнал от генератора накладывается на значене U бэ в
точке В. При этом ctgβ = R Г , одна их сторон угла β проходит через
точку А, U бэ = U вх ≠ E Г . Обратите внимание на соответствие сигналов E Г , U вх и I б .
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.
На рис. 8 дано семейство выходных характеристик Т, включенного по схеме с ОЭ. Точка покоя коллекторной цепи А
определяется пересечением линии нагрузки для постоянного тока с
той характеристикой, параметром которой является ток I б А .
Перемещение рабочей точки при изменении тока базы под
действием сигнала происходит по линии нагрузки коллекторной
цепи для переменного тока.
Для каскада, показанного на рис. 5, сопротивлением нагрузки
для постоянного тока является сопротивление Rк , а для перемен′ :
ного тока – сопротивление, равное RH
′ =
RH
Rк ⋅ RH
= Rк || RH .
Rк + RH
Там же на рис. 8 приведено построение, показывающее перемещение рабочей точки коллекторной цепи при подаче синусоидального входного сигнала. Предельные значения выходных
гармонических напряжения и тока определяются по динамической
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нагрузочной прямой и ограничены режимами отсечки и насыщения
транзистора. Наибольшее выходное напряжение достигается тогда,
когда точка покоя расположена примерно посередине линии
нагрузки для переменного тока.
Iк
Eк
Rк
IкA
I бmax
I бA
I бmin
β
U кA
Eк
t
α
I к0 *
Iб = 0
U кэ
t
Рис. 8. Выходные характеристики транзистора по схеме с ОЭ
На рис. 9 показан каскад с ОЭ, где расположение точки покоя
определяется источником напряжения Eк и резисторами Rб1 , Rб 2 ,
Rк и Rэ . Здесь, благодаря резистору Rэ , вводится обратная связь по
постоянному току, что увеличивает стабильность работы каскада
при изменении окружающей температуры. Чем больше Rэ , тем
глубже обратная связь и выше температурная стабильность схемы.
При этом напряжение на базе (возникающее при изменении токов
из-за изменения
внешней температуры) должно
быть
минимальным. Это может быть достигнуто только при малых Rб1 и
Rб 2 , но при этом вход каскада будет шунтирован для переменного
тока сопротивлением: Rб =
Rб1Rб 2
.
Rб1 + Rб 2
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
− Ек
RГ
EГ
С1
Rб1
Rк
С2
Т
RН
Rб 2 Rэ С э
Рис. 9. Каскад ОЭ с эмиттерной стабилизацией и делителем цепи базы
На резисторе Rэ падает напряжение U э = I э А Rэ , а мощность,
расходуемая в нем от источника, равна P = I э2 Rэ , что при глубокой
А
обратной связи (большом Rэ ) может составить значительную часть
от общей мощности, потребляемой каскадом. Конденсатор C э
включается параллельно Rэ , чтобы исключить отрицательную
обратную связь по переменному току, которая уменьшает усиление
каскада. Для полного исключения обратной связи по переменному
току величина емкости конденсатора C э должна быть такой, чтобы
постоянная времени разряда была много больше, чем период
входного сигнала.
На рис. 10 приведена схема каскада с ОЭ для переменного тока. Транзистор представлен эквивалентной схемой в h -параметрах.
Если считать, что Rб >> Rвх , а RH ′ =
Rк RH
, то основные паRк + RH
раметры каскада будут:
Rвх = h11э = rб + (1 + β ) ⋅ rэ ; Rвых = Rк
KU = − β
KI = β
Rк RH
;
R Г + Rвх
Rвых
RГ
RГ
Rк
⋅
=β
⋅
.
R Г + Rвх Rвых + RH
R Г + Rвх Rк + RH
С учетом базового делителя Rб : Rвхобщ = Rб Rвх .
При введении в каскад обратной связи по переменному току в
формулы основных величин каскада необходимо вместо rэ подста15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вить rэ + R0 , где R0 – сопротивление в эмиттерной цепи, незашунтированное конденсатором C э .
Эквивалентная схема такого каскада приведена на рис. 10, б.
Введение обратной связи увеличивает входное сопротивление каскада и уменьшает коэффициент усиления по напряжению.
RГ
Iб
h11э
iГ
EГ
Iк
h22 э −1 Rк
h12 эU кэ h I
21э б
Rб
RН
а)
rк *
rб
RГ
EГ
βI б
rэ
U вх
Rк
RН
R0
б)
Рис. 10. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ в h-параметрах
(а) и в физических параметрах (б)
Коэффициент усиления каскада по мощности K р определяется
отношением мощности переменного тока в нагрузке к мощности
переменного тока на входе, или так: K р = K I KU .
Для области низших частот:
1
τH
=
1
τ H1
+
1
τ H2
16
+
1
τ Hэ
,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где τ H1 = C1 (R Г + Rвх ) ; τ H 2 = C2 (Rвых + RН ) ; τ H э = C э Rэ .
Для области высших частот: τ в =
β оe = β
(
⋅ γ к∗ ;
)
τ ′β = γ К∗
(
⋅τ β ;
)
τ оe
, где τ оe = τ β′ + τ к′ ;
1 + β оeγ б
rк∗
∗
γк =
rк∗ + Rк RH
;
τ к′ = 1 − γ к∗ ⋅ τ к = Ск∗ rк∗ Rк RH .
Здесь τ оe – эквивалентная постоянная времени в области
высших частот, βоe – эквивалентный коэффициент передачи тока
базы, γ к∗ – коэффициент токораспределения коллектора, τ β –
постоянная времени коэффициента передачи тока базы β , τ к′ –
постоянная времени коллекторной цепи.
Порядок выполнения работы
Исследование различных схем транзисторных усилителей проводится в условиях, когда не проявляются нелинейные и инерционные свойства усилительного прибора. С этой целью все измерения следует проводить на частоте входного сигнала, равной 1 кГц
при напряжении на выходе встроенного генератора U G ≈ 10 − 30 мВ.
Во всех экспериментах, если это не оговорено особо, измерения
проводятся при постоянной составляющей эмиттерного тока I э0 от
2 до 6 мА. Регулировка эмиттерного тока осуществляется
изменением напряжения смещения на базе транзистора (ручка
Eсм ), а величина I э0 определяется из соотношения I э0 =
U э0
R8
(S4 в
положении 2).
Измерение напряжений производится с помощью встроенного
мультиметра "перелистыванием страниц" жидкокристаллического
дисплея кнопками " < " и " > ". Кнопка "Значение" позволяет выводить постоянную составляющую или действующее значение измеряемого параметра и изменяет разрядность результата измерений.
ВНИМАНИЕ! При изменении положения переключателя
S 2 необходимо заново произвести установку эмиттерного тока.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Самостоятельно выбрать схему исследуемого каскада с помощью переключателей S1 – S 6 .
1. Снимите амплитудную характеристику каскада, постройте
график, определите максимальный входной сигнал.
2. Снимите амплитудно-частотную характеристику, определите нижнюю f н и верхнюю f в граничные частоты, постоянные времени τ н и τ в . Постройте график зависимости KU от f и KU (t ) .
3. Снимите ФЧХ каскада. Обязательно измерьте фазовый сдвиг
на граничных частотах. Сравните с теорией. Нарисуйте график.
4. Определите величину и зарисуйте форму максимального
выходного напряжения при RН = 910 Ом ( S1 – 3; S 2 – 1; S 3 – 4; S 4
– 2; S 5 – 1; S 6 – 1).
5. Рассчитайте максимальную величину переменной составляющей коллекторного тока Т по измерениям п. 4.
6. Определите экспериментально Rвх каскада при RН = 910 Ом.
7. Определите Rвых каскада при R Г = 330 Ом ( S1 – 3).
8. Определите KU при RН = 910 Ом ( S1 – 3; S 2 – 1; S 3 – 4; S 4
– 2; S 5 – 1; S 6 – 1); R Г = 330 Ом (S1 – 3).
9. Определите K I и рассчитайте K p .
10. Определите величину максимального выходного напряжения при введенной обратной связи по току для R01 = 24 Ом
( RН = 910 Ом ( S1 – 3; S 2 – 1; S 3 – 4; S 4 – 2; S 5 – 2; S 6 –1)).
11. Определите Rвх каскада для R01 = 24 Ом ( S 5 – 2).
12. Определите K I и KU при R01 = 24 Ом ( RН = 910 Ом,
R Г = 330 Ом).
13. Сделайте выводы по пунктам 4, 8, 10, 11, 12.
Указания к проведению работы
1. Исследования ведутся в двух частотных областях: в области
низких частот ( f < 1 кГц) и в области высоких частот ( f > 1 кГц).
Поставив переключатели S 2 и S 4 в положение 2 с помощью потенциометра Eсм , обеспечить номинальный режим работы транзистора ( I э0 = 2,0 − 6,0 мА).
Для снятия АЧХ подключите на вход схемы генератор, на выход – осциллограф и вольтметр переменного тока.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВНИМАНИЕ! При изменении положения переключателя
S 2 необходимо заново произвести установку эмиттерного тока.
Для этого, установив на частоте 10 Гц уровень входного сигнала U G ≈ 10 − 30 мВ. ОЭ ( S1 – 2; S 2 – 2; S 3 – 4; S 4 – 2; S 5 – 1; S 6 - 1),
меняя частоту генератора от минимальной, запишите значения выходного напряжения от частоты. Осциллографом контролируйте
форму выходного сигнала. При появлении видимых искажений
уменьшите входное напряжение и заново повторите измерения.
2. Для измерения амплитудной характеристики подключите на
вход генератор и вольтметр, а на выход – вольтметр и осциллограф. Установите U G = 0 и частоту, соответствующую области
средних частот каскада по измерениям АЧХ. Увеличивая
постепенно напряжение на выходе, снимите амплитудную
характеристику. Измерения прекратите при появлении на
осциллограмме искажений типа "ограничение".
3. Экспериментально Rвх каскада можно определить следующим образом. При каком-то небольшом R′Г на вход каскада
подается сигнал от генератора так, чтобы выходное напряжение
было меньше допустимого, и измеряется выходное напряжение и
напряжение генератора. При этом
I вх =
U ′Г
. Затем при новом
Rвх + R′Г
значении R Г'' > R Г' (выбрать с помощью переключателя S1 )
напряжение генератора увеличивается до такой величины, чтобы
выходное напряжение стало равным напряжению при первом
измерении, что соответствует прежнему входному току. Отсюда:
U ′Г
U ′Г′
U ′′ R′ − U ′Г R′Г′
; Rвх = Г Г
.
=
Rвх + R′Г Rвх + R′Г′
U ′Г − U ′Г′
4. Определить Rвых каскада можно, если измерить выходное
напряжение, соответствующее двум значениям сопротивления нагрузки: Rвых =
′ −UH
′′
UH
, при этом необходимо установить
′ / RH
′ −UH
′′ / RH
′′
UH
такое значение входного сигнала, чтобы выходное напряжение не
было искажено. Рекомендуется брать RH′ < RH′′ .
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. В области НЧ ( f < 1 кГц) исследовать зависимость от частоты f передаточных свойств разделительной цепи и транзистора в
каскаде OЭ ( S1 – 1; S 3 – 1; S 5 – 2; S 6 – 1). Для этого, установив на
частоте 10 Гц уровень входного сигнала U G ≈ 10 − 30 мВ и далее не
изменяя уровень U G , измерить частотные зависимости напряжений
UG , U к .
Сопоставить полученные результаты с теоретическими, определяемыми соотношениями (для этого представить в общих координатных осях графики теоретических и экспериментальных зависимостей).
6. В области низких частот ( f < 1 кГц) исследовать корректирующее влияние на ход АЧХ частотно-зависимой нагрузки; для
этого при положении 5 переключателя S 3 и установленном ранее
уровне входного сигнала измерить частотную зависимость коэффициента передачи каскада K = K p K f = U к / U G . По результатам
измерений вычислить и представить в виде графика зависимость
M ( f ) = K ( f ) / K 0 , где K 0 – значение коэффициента передачи каскада K ( f ) на частоте 1 кГц.
7. Измерить частотные характеристики и определить значения
параметров τ и С, задающих ход НАЧХ М в в области верхних
частот.
Для этого при U G ≈ 13 мВ снять в схеме с ОЭ ( S1 – 2; S 2 – 2;
S 3 – 4; S 4 – 2; S 5 – 1; S 6 – 2) частотную характеристику коэффициента передачи каскада в диапазоне частот от 1 кГц и выше при
двух значениях проводимости нагрузки
1
1
1
=
+
( S 6 – 2) и
′ 1 R14 R18
RH
1
1
( S 6 – 1).
=
′ 2 R14
RH
8. Провести исследование корректирующих цепей. Для этого в
области верхних частот (1 < f < 18 кГц) при U G ≈ 13 мВ снять
частотные характеристики коэффициента передачи для следующих
наборов положений переключателей:
−
S1 – 2; S 2 – 2; S 3 – 1; S 4 – 2; S 5 – 1; S 6 – 1;
−
S1 – 2; S 2 – 2; S 3 – 2; S 4 – 2; S 5 – 1; S 6 – 1;
−
S1 – 2; S 2 – 2; S 3 – 1; S 4 – 2; S 5 – 2; S 6 – 1;
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
−
S1 – 2; S 2 – 2; S 3 – 1; S 4 – 2; S 5 – 4; S 6 – 1.
9. Исследовать частотные искажения, возникающие во входной
цепи в области верхних частот. Для этого в диапазоне частот
1 < f < 18 кГц при U G ≈ 0,15 В измерить частотную зависимость
U б ( f ) для следующих наборов положений переключателей:
−
S1 – 4; S 2 – 2; S 3 – 1; S 4 – 2; S 5 – 1; S 6 – 1;
−
S1 – 4; S 2 – 2; S 3 – 1; S 4 – 2; S 5 – 2; S 6 – 1;
−
S1 – 4; S 2 – 2; S 3 – 1; S 4 – 2; S 5 – 4; S 6 – 1;
−
S1 – 4; S 2 – 2; S 3 – 1; S 4 – 2; S 5 – 3; S 6 – 1.
Результаты исследований представить в виде графиков
K вх ( f ) = U б ( f ) / U G
и M вх = U б ( f ) / U б (1 кГц). Сопоставить
результаты экспериментальных исследований с теоретическими.
10. По графикам АЧХ, полученным в ходе выполнения предыдущих пунктов, определить и сопоставить между собой значения
граничных частот f н и f в при различных вариантах построения
каскада. На основании сопоставления сделать выводы о влиянии на
ход АЧХ структуры усилительного каскада.
11. Исследовать искажения импульсного сигнала (см. рис. 3, в)
и их связь с граничными частотами f н и f в .
Для этого в схеме с ОЭ ( S1 – 3; S 2 – 2; S 3 – 1; S 4 – 2; S 5 – 2;
S 6 –1) измерить величину спада вершины выходного импульса Δ
при частоте следования 40 – 400 Гц. В схемах, исследуемых в п. 8,
определить длительность фронта импульса tφ при частоте следования 4 − 8 кГц. Сопоставить полученные значения Δ и tφ со
значениями, определяемыми из теории. Измерения проводятся при
действующем значении напряжения U G порядка 10 мВ.
Содержание отчета:
– таблицы с результатами измерений;
– принципиальные схемы всех исследованных вариантов построения каскадов;
– графики измеренных зависимостей, а также вычисленных с
помощью соответствующих соотношений;
– вычисления параметров τ и С по результатам измерений в п. 7;
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– графики зависимостей M в ( f ) , полученных на основании проведенных в п. 1 и п. 8 измерений, а также рассчитанных по формуле;
– графики зависимостей K вх ( f ) и M вх ( f ) по п. 9;
– анализ связи f в и f н с tφ и Δ ;
– анализ результатов исследования и выводы.
Контрольные вопросы
1. Каковы эквивалентные схемы и параметры транзистора как
четырехполюсника?
2. Назовите физические параметры транзистора. От чего они
зависят?
3. Как определить h-параметры по характеристикам Т?
4. Как оценить теоретически максимальное напряжение на
входе усилителя?
5. Перечислите основные параметры усилителя. Как они
определяются?
6. Объясните физику зависимости параметров каскада от элементов схемы.
7. Выведите формулы Rвх , Rвых , KU , K I и K p в области средних частот.
8. Охарактеризуйте работу каскада в областях низших и высших частот ( f в , f н ,τ в ,τ н , KU , tφ ).
9. Что такое переходная характеристика?
Лабораторная работа № 2
Каскад с общей базой
Цель работы: исследовать характеристики транзисторного усилительного каскада по схеме с ОБ.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд, вольтметр
переменного тока, осциллограф, фазометр.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основные формулы
Если вы выполняете эту работу первой в цикле усилительных
каскадов, то обязательно прочтите "Краткую теорию" данных методических указаний.
Схема каскада показана на рис. 11. Цепи смещения здесь такие
же, как и в каскаде с ОЭ. Конденсатор Cб обеспечивает режим
короткого замыкания базы по переменному току. Величина
емкости конденсатора такова, что постоянная времени разряда
конденсатора значительно больше периода входного сигнала.
Рис. 11. Принципиальная схема усилительного каскада ОБ
Входное напряжение подается через разделительный конденсатор на эмиттер. Коллекторная цепь каскада не отличается от
цепи схемы с ОЭ.
Основные параметры каскада определяются следующим образом:
Rвх = rэ + rб (1 − α ) ; Rвых = Rк ;
KU = α
Rк || Rн
Rвх
RГ
; KI = α
; K P = KU ⋅ K I .
R Г + Rвх
R Г + Rвх Rвх + Rн
Для области низших частот отличия от схемы ОЭ нет:
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
τH
=
1
τ H1
+
1
τ H2
+
1
τ Hб
;
τ H1 = C1 (R Г + Rвх ) ; τ H 2 = C2 (Rвх + RН ) ; τ H Б = Cб Rб .
В области высших частот:
τв =
где
γк =
τ оe = τ α′ + τ к′ ;
τ оe
,
1 + α оeγ э
τ α′ = γ к ⋅ τ α ;
τ к′ = (1 − γ к ) ⋅ τ к = Ск (rк Rк RH ) ;
rб
rк
; γэ =
; α оe = α ⋅ γ к .
rк + Rк RH
rб + R Г + rэ
Здесь τ оe – эквивалентная постоянная времени в области высших частот, α оe – эквивалентный коэффициент передачи тока
эмиттера γ к – коэффициент токораспределения коллектора, τ α –
постоянная времени коэффициента передачи тока эмиттера, τ к –
постоянная времени коллекторной цепи, γ э – коэффициент токораспределения эмиттера.
Сравнение данного каскада с каскадом с ОЭ приводит к следующим заключениям:
1. В каскаде с ОБ усиление по току отсутствует.
2. Усиление по напряжению того же порядка, что в каскаде с
ОЭ.
3. Усиление по мощности значительно меньше, чем в каскаде с
ОЭ. Последовательное соединение однотипных каскадов с ОБ
невозможно, так как при подстановке в формулу для KU вместо
RH значения Rвх , получается величина, меньшая единицы; а так
как K I < 1 , то усиление мощности отсутствует.
4. Входное сопротивление каскада мало: всегда меньше, чем в
каскаде с ОЭ.
5. Выходное сопротивление определяется здесь главным образом сопротивлением Rк .
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По вышеперечисленным причинам каскад с ОБ сравнительно
мало применяется в схемах усилителей. Преимуществом каскада
является то, что характеристики триода с ОБ более прямолинейны,
и выходное напряжение (при больших сигналах) менее искажено,
чем в каскаде с ОЭ. При одинаковом режиме по постоянному току
в каскадах с ОБ и ОЭ, в каскаде с ОБ могут быть достигнуты
большие значения выходного неискаженного напряжения. Поэтому
каскады с ОБ применяются в качестве выходных, если необходимо
обеспечить максимальное значение U вых . Второе преимущество
заключается в том, что каскад получается более высокочастотным,
чем схема ОЭ.
Порядок выполнения работы
Схема каскада выбирается в соответствии с рис. 4.
1. Снять амплитудную характеристику каскада, построить график, определить максимальный входной сигнал ( S1 – 5; S 2 – 2; S 3
– 4; S 4 – 2; S 5 – 5; S 6 – 2, U э ≈ 0,015 В).
2. Снять амплитудно-частотную характеристику, определить
нижнюю f н и верхнюю f в граничные частоты, постоянные
времени τ в и τ н . Построить график зависимости KU от f и KU (t ) .
3. Снять фазо-частотную характеристику каскада. Обязательно
измерить фазовый сдвиг на граничных частотах. Сравнить с теорией. Построить график.
4. Определить величину максимального выходного неискаженного напряжения при RН = 910 Ом.
5. Рассчитать максимальную величину переменной составляющей коллекторного тока по измерениям пункта 1.
6. Определить Rвх каскада для RН = 910 Ом.
7. Определить Rвых каскада для R Г = 24 Ом.
8. Определить KU при RН = 910 Ом, R Г = 24 Ом.
9. Определить K I и рассчитать K P каскада по данным п. 8.
Сделать выводы.
При выполнении работы воспользоваться методическими указаниями к лабораторной работе № 1.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Контрольные вопросы
1. Объясните механизм работы транзистора в схеме усилителя.
Нарисуйте и поясните статические характеристики триода, включенного по схеме с ОБ. Проведите построения, аналогичные сделанным на рис. 7 и рис. 8.
2. Охарактеризуйте основные параметры транзистора: α ; rэ ;
rк ; rб ; μ эк , I к 0 (рис. 1, а).
3. Почему коэффициент передачи транзистора по току меньше
1?
4. Нарисуйте эквивалентные схемы усилительного каскада с
ОБ с физическими и h-параметрами.
5. Приведите формулы и сравните входные и выходные сопротивления каскадов с ОЭ и ОБ.
6. Покажите, что коэффициенты усиления KU каскадов ОЭ и
ОБ одного порядка.
7. Приведите примеры использования каскада с ОБ.
8. Почему схема ОБ не инвертирует фазу входного сигнала?
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 3
Kaскад с общим коллектором
Цель работы: изучить работу транзистора, включенного по
схеме с ОК, и исследовать зависимость характеристик каскада от
элементов схемы.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд, вольтметр
переменного тока, осциллограф, фазометр.
Основные формулы
Если вы делаете эту работу первой из усилительных каскадов,
то обязательно прочтите "Краткую теорию" методических указаний.
Каскад по схеме ОК (эмиттерный повторитель) показан на
рис. 12, а.
а)
б)
Рис. 12. Принципиальная схема эмиттерного повторителя (а)
и эквивалентная схема транзистора с ОК (б)
Источник питания Eк , резисторы Rб1 , Rб 2 и Rэ обеспечивают
режим Т по постоянному току. Коэффициент усиления KU схемы
не может быть больше единицы, т.к. U вх = U Н + U бэ , где U Н – на27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пряжение на нагрузке, а U бэ – на промежутке эмиттер – база Т. Если провести опыты холостого хода и короткого замыкания в эквивалентной системе (рис. 12, б), то можно через физические параметры получить h-параметры для схемы ОК.
Расчет дает следующие значения:
h11к ≈ rб + rэ (1 + β ) ; h12к =
h22 к =
rк*
; h21к =
*
rэ + rк
1
rэ + rк*
≈
1
rк*
rк
rэ + rк*
≈ β + 1;
.
С учетом генератора основные параметры будут иметь вид:
[
]
r + RГ
Rвх = rб + (1 + β ) rк* || (rэ + Rэ || RН ) ; Rвых = б
;
1+ β
Rэ || rк*
rк* || Rэ || RН
RГ
KU = (1 + β )
; K I = (1 + β )
.
R Г + Rвх Rэ || rк* + RН
R Г + Rвх
В области низких частот:
1
τH
=
1
τ H1
+
1
τ H2
; τ H 1 = C1 (R Г + Rб ); τ H 2 = C2 (Rэ + RН ) .
В области высших частот:
ωв =
(
1 + β оеγ б
; τ β′ = γ к* ⋅ τ β ; β оe = β ⋅ γ к* ;
τ β '+τ к '
)
[
]
τ к′ = 1 − γ к* ⋅ τ к = Ск* Rэ || RН || rк* || ( R Г + rб ) ;
rк*
*
γк =
;
rк* + Rэ || RН || ( R Г + rб )
28
γб =
Rэ || R Н
.
Rэ || RН + ( R Г + rб )
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Здесь τ ′β – постоянная времени коэффициента передачи β ; τ к′
– постоянная времени коллекторной цепи; τ к – постоянная времени коллектора; γ к* – коэффициент токораспределения коллектора,
β ое – эквивалентный коэффициент передачи тока базы; γ б – коэффициент токораспределения базы.
Так как входное сопротивление каскада велико, то необходимо
Rб1 − Rб 2 :
учитывать
сопротивление
входного
делителя
Rвхобщ = Rб || Rвх .
Приведенные соотношения показывают, что:
1. Коэффициент усиления по напряжению KU всегда меньше
1. Величина его зависит от R Г и RН .
2. Rвх зависит от RН , но всегда больше, чем в каскаде с OЭ, и
при больших RН может быть весьма значительным.
3. Rвых зависит от R Г , но всегда меньше, чем в каскаде с ОЭ.
4. Коэффициент усиления K I больше, чем в схеме ОЭ.
5. Усиление мощности обычно меньше, чем в каскаде ОЭ, но
при малых RН может быть и больше.
Порядок выполнения работы
При выполнении работы воспользуйтесь указаниями, данными
в лабораторной работе № 1 (ОЭ).
1. Снимите амплитудную характеристику каскада, постройте
график, определите максимальный входной сигнал ОК ( S1 – 2; S 2
– 2; S 3 – 3; S 4 – 2; S 5 – 3, U б ≈ 0,5 В, U G = 0,07 − 0,08 В).
2. Снимите амплитудно-частотную характеристику, определите нижнюю f н и верхнюю f в граничные частоты, постоянные времени τ н и τ в . Постройте график зависимости KU от f и KU (t ) .
3. Снимите ФЧХ каскада. Обязательно измерьте фазовый сдвиг
на граничных частотах. Сравните с теорией. Нарисуйте график.
4. Определите величину и зарисуйте форму максимального
выходного напряжения при RН = 500 Ом ( S 5 – 3).
5. Рассчитайте максимальную величину переменной составляющей эмиттерного тока Т по измерениям пункта 4.
6. Определите входное сопротивление каскада.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Определите выходное сопротивление каскада
R Г = 0,33 кОм; 20 кОм.
8. Определите KU каскада.
9. Определите K I и расчитайте K P по данным пункта 8.
при
Контрольные вопросы
1. Почему коэффициент усиления по напряжению меньше 1?
2. Чем объяснить, что динамический диапазон входных сигналов эмиттерного повторителя значительно больше, чем у других
схем включения транзистора?
3. Объяснить, почему в схемах с ОК и ОБ транзистор не меняет, а в схеме с ОЭ изменяет фазу входного сигнала?
4. Как на Т-образной эквивалентной схеме получить основные
параметры каскада через физические параметры триода без использования параметров транзистора как четырехполюсника?
5. Какие ограничения накладывает транзистор на выбор элементов схемы каскадов с ОК и источник питания?
6. Приведите примеры применения схемы с ОК.
7. Нарисуйте эквивалентную схему резисторного каскада в области нижних частот. Поясните причину возникновения частотных
искажений.
8. Нарисуйте эквивалентную схему резисторного каскада в области верхних частот. Поясните причину возникновения частотных
искажений.
9. Какие искажения возникают при усилении резисторным каскадом импульсных сигналов?
10. Какая из возможных схем включения усилительных приборов позволяет получить наибольший коэффициент усиления по
мощности?
11. Какой каскад необходимо применить на выходе усилителя
для согласования с малым сопротивлением нагрузки?
Вопросы для сдачи лабораторных работ
1. Принципиальная электрическая схема усилительного каскада. Назначение элементов.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Эквивалентная схема для области средних частот.
3. Работа транзистора в схеме усилительного каскада:
1) физика работы транзистора;
2) входные и выходные вольт-амперные характеристики;
3) задание рабочей точки;
4) движение рабочей точки под действием гармонического
сигнала;
5) влияние сопротивлений генератора и нагрузки;
6) максимальные входные и выходные значения тока и напряжения по ВАХ;
7) учет фаз входных и выходных токов и напряжений.
4. Вывод формул усилительных параметров каскада для области средних частот.
5. Каскад в области низших частот и больших времен:
1) эквивалентная схема;
2) вывод формул постоянной времени и граничной частоты;
3) АЧХ, ФЧХ, переходная характеристика, частотные искажения, коэффициент спада вершины импульса, добротность каскада.
6. Каскад в области высших частот и малых времен:
1) эквивалентная схема;
2) вывод формул постоянной времени и граничной частоты;
3) АЧХ, ФЧХ, переходная характеристика, частотные искажения, время нарастания фронта импульса, добротность каскада.
7. Уметь демонстрировать преподавателю работу каскада, объяснять зависимость параметров усилителя от элементов схемы,
комментировать результаты эксперимента, инверсию фазы выходного сигнала или ее отсутствие.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задание
по расчету схем усилительных каскадов
1. Схема с общим эмиттером
1. Перенесите входные и выходные ВАХ транзистора, который
Вы выбрали, на миллиметровку. С учетом предельных режимов и
минимальных искажений обрисуйте рабочую область.
2. Сформулируйте задачу, т. е. определите назначение каскада,
для чего Вы хотите его использовать.
3. Из справочника запишите параметры транзистора, предельные режимы, зависимости параметров транзистора от режима и
температуры.
4. В соответствии с поставленной задачей поставьте рабочую
точку А и запишите ее параметры – токи и напряжения транзистора.
5. Найдите все физические параметры и h-параметры в окрестностях рабочей точки. Найдите fα , f β , f max , Cк , Cк* .
Расчет по постоянному току
Провести расчет каскада по постоянному току для схемы. Расчет производить по полной методике, считая, что:
Rвх = r + (1 + β )( R0 + rэ ) ;
Eк 0 = 50 В;
R0 = 30 − 100 Ом;
Tmin = −50 ºС;
Tmax = +80 ºС (кремниевые
транзисторы);
Tmax = +50
=
+50
С
(германиевые
транзисторы);
R0 – резистор, выделяемый
из расчетного Rэ = R0 + Rэ′ ,
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
коэффициент нестабильности S должен быть меньше 10 .
Найти сопротивление гасящего резистора Rф .
Для этого найти изменение с температурой всех параметров
транзистора, влияющих на ток коллектора, и определить
допустимые изменения тока коллектора по формуле:
I к max − I кA > ΔI к доп ≥ ΔI к 0 + I э
Δβ
(1 + β ) 2
.
Если в справочнике нет зависимости β от температуры ( h21э от
температуры), то воспользоваться следующей формулой:
′′ э − h21
′ э,
Δh21э = h21
− 25° 
 t
,
′′ э = (0,2h21э min + 0,8h21э max )1 + пр max
h21

275
°


 25° − t пр min 
,
′ э = (0,8h21э min + 0,2h21э max )1 −
h21

500
°


где t пр max = tC max + Rпс Pк – максимальная рабочая температура
перехода;
Rпс – тепловое сопротивление промежутка переход –
окружающая среда;
Pк = U кэ A I к A – мощность рассеяния на коллекторе в рабочей
точке;
tC – температура окружающей среды.
Величину Rпс , если она не указана в справочнике, взять
0,65 град/Вт.
2. Провести упрощенный расчет каскада по постоянному току
для следующих схем (рис. 13) при той же рабочей точке и Eк . Не
путать с Eк 0 !
3. Считая, что нагрузкой является аналогичный каскад, т. е.
Rн = Rвх , построить динамическую нагрузочную прямую Rк || Rн .
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Определить U вхmax , U выхmax , выходную мощность. Для основной схемы (п. 1) определить напряжение на электродах транзистора относительно общей шины: U к , U э , U б . Уметь определять
все токи и напряжения любого каскада по схеме ОЭ, если заданы
номиналы резисторов, тип транзистора и напряжения источников
питания ( U к , U э , U б , U кэ , U бэ , U бк , I к , I б , I дел ).
5. Определить мощность резисторов и напряжения конденсаторов.
1)
4)
2)
3)
Рис. 13. Схемы для расчета усилительного каскада по постоянному току
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расчет по переменному току
Область средних частот
1. Найти Rвх , Rвых , K u , KUxx , ξ вх U , ξ вых U для Rн = 500 Ом;
Rн = 1 кОм, Rн = Rвх (нагрузка – аналогичный каскад).
!!!ВНИМАНИЕ!!!
1) Rвх определять при Rб >> Rвх и с учетом Rб , т. е.
Rвхобщ = Rвх || Rб . Обращать внимание на влияния Rб на Rвх и при
необходимости пересмотреть Rб .
2) KU определять с учетом Rвхобщ .
3) Не забывать о R0 .
2. Провести расчет характеристик для стандартных значений
выходного сопротивления генератора звуковых частот. Дать анализ
зависимости.
3. Найти K I , K I кэ , ξ I вх , ξ I вых для тех же значений Rн , как и п. 1
и одного (любого) значения R Г .
4. Найти параметры каскада без обратной связи.
5. Определить на переменном токе γ б , γ б 0 .
6. Найти Rвх , KU , K I по формулам, учитывая внутреннюю обратную связь. Помнить о R0 .
7. С учетом rк* в данной точке найти γ к* , KU , K I , Rвых и сопротивления динамической нагрузки, т. е. если каскад выполняет роль
динамической нагрузки.
8. Сделать общие выводы.
Область низших частот и больших времен
1. Обеспечить f н = 30 Гц, т. е. найти значения C1 , C2 , C э .
2. Для C1 = C2 = 1 мкФ и C э = 10 мкФ найти f н и τ н .
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Для импульсов длительностью τ и = 10 мкс, 100 мкс и
1000 мкс и C1 , C2 , C э по пункту 1 найти коэффициенты спада вершины импульса. Сделать вывод.
4. Каскад работает как усилитель импульсов с длительностью
τ и = 100 мкс. Обеспечить K C = 0,1 (найти C1 , C2 , C э ).
5. Для схем с C1 = C2 = 1 мкФ и C э = 10 мкФ и τ и = 10 мкс,
100 мкс и 1000 мкс найти K C .
6. По пункту 1 построить АЧХ и ФЧХ.
7. По п. 1 построить переходную характеристику.
8. Рассчитать Cф , чтобы цепь RфCф не влияла на общую постоянную времени.
9. Сделать общие выводы.
Область высших частот и малых времен
1. Найти τ к , τ к′ , τ β , τ ′β , τ ое , f в , τ в .
2. Найти t н для стандартного значения R Г импульсных генераторов лаборатории 107а.
3. Найти t Н min для R Г = 0 и R Г из п. 2.
4. Построить АЧХ, ФЧХ и переходную характеристику на общем графике АЧХ и отдельном для K И (t ) .
5. Построить нормированные характеристики Z вх .
6. Определить добротность:
1) по основной формуле;
2) с учётом значения rк* ;
3) найти добротность транзистора;
4) найти Rк опт и Д max для многокаскадного усилителя.
7. Дать анализ полученных результатов. Для всех схем
учитывать Rф и Cф .
ВНИМАНИЕ! Для всех последующих схем разрешается
корректировать
рабочую
точку
для
эффектовного
использования транзистора.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Эмиттерный повторитель (ЭП)
Пункты, помеченные звездочкой, выполнять в случае, если Вы
претендуете на отличную отметку.
Рассчитать ЭП по постоянному току для тех же транзисторов и
источника питания. Обеспечить минимум S.
1. Найти Rвхmax и Rвх для случая, когда нагрузкой является
Ваш каскад по схеме с ОЭ.
2. Найти Rвх с учетом Rб .
3. Найти KU max .
4. Записать и вычислить KU через коэффициент входа и выхода и KU max .
5. Для Вашего случая, т. е. rк* >> Rэ || RН или rк* << Rэ || RН (или
по формуле (19) для общего случая) найти KU .
6. Найти Rвых и Rвыхmin .
7. Найти U вхmin , динамический диапазон входных сигналов,
считая, что U вхmax = Eк = −1 В.
8. * Подобрать транзистор T2 для ЭП на составном транзисторе
(СТ).
9. * Для ЭП на СТ, если T2 – аналогичный, подобрать гасящий
резистор Rб .
10. * Рассчитать для Ваших транзисторов схему, т. е. найти R1 ,
R2 , Rб 2 , Rвх , KU , сопротивление на переменном и постоянном токе
транзистора T2 при RН .
11. * Рассчитать каскад ЭП с нейтрализованным делителем.
к п. 11
к п. 10
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Каскад с эмиттерным входом
1. Рассчитать по постоянному току.
2. Найти KU , K I , Rвх , Rвых . Считать, что R Г – стандартное,
RН = Rвх ОЭ .
4. Каскад с эмиттерной связью
1. Для выбранных транзисторов рассчитать по постоянному
току.
2. Найти KU , Rвх , Rвых . R Г и RН выбрать самим и обосновать
выбор.
5. Каскод
1. Нарисовать эквивалентную схему последовательного каскода для области средних частот.
2. Рассчитать схему последовательного каскода с общим делителем в цепи базы для выбранных транзисторов по постоянному
току.
3. Обеспечить f н = 30 Гц, т. е. определить Cб , C э , C1 , C2 .
4. Найти KU , Rвх , Rвых , K I , K p .
6. Дифференциальный каскад
1. Рассчитать по постоянному току.
2. Определить Rвх Д , RвхС , Rвых Д , RвыхС , KU Д , KU C , K П , I вх ср ,
I разн , начальный разбаланс (считая, что он определяется разбросом
I э0 в 20 %).
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задание по компьютерному моделированию
рассчитанных схем
В настоящее время ни одно радиоэлектронное устройство не
изготавливается без тщательного компьютерного моделирования.
В учебном процессе широко применяется компьютерный эксперимент в среде Electronics WORKBENCH. Для облегчения освоения
этой программы в литературе [3], в приложении № 1 к пособию
даны методические указания «Знакомство с программой схемотехнического моделирования EWB v 5.12».
1. Соберите минимум по одному однотранзисторному и одному двухтранзисторному каскаду по итогам Ваших расчетов. Выберите зарубежный аналог транзистора наиболее близкий по параметрам к Вашему.
2. Проведите полный компьютерный эксперимент по определению усилительных, частотных и временных характеристик схем.
Сравните результаты моделирования и расчета.
3. Проведите исследование зависимостей параметров схем от
значений 5 – 7 элементов для области средних частот. Постройте
графики зависимостей. Сделайте выводы.
4. Исследуйте зависимость частотных и временных свойств
каскадов от элементов схемы. Постройте графики, сделайте выводы.
Литература
1. Степаненко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. – М., Энергия, 1977.
2. Гусев, В.Г. Электроника: учеб. пособие для приборостроительных специальных вузов / В.Г. Гусев , Ю.Н. Гусев . – 2-е изд.,
перераб. и доп. – М.: Высш. шк. 1991.
3. Артёмов, К.С. Основы схемотехники: учеб. пособие
/ К.С. Артёмов, Н.Л. Солдатова; Яросл. гос. ун – т. – Ярославль:
ЯрГУ, 2005.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Артемов Константин Серафимович
Солдатова Нина Львовна
Усилительные каскады
на биполярных транзисторах
Методические указания
Редактор, корректор И.В. Бунакова
Компьютерная верстка Е.Л. Шелеховой
Подписано в печать 20.12.2007. Формат 60х84/16. Бумага тип.
Усл. печ. л. 2,32. Уч.-изд. л. 1,72. Тираж 300 экз. Заказ
.
Оригинал-макет подготовлен
в редакционно-издательском отделе
Ярославского государственного университета
Отпечатано на ризографе
Ярославский государственный университет
150000 Ярославль, ул. Советская, 14.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова
Усилительные каскады
на биполярных транзисторах
42
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
26
Размер файла
558 Кб
Теги
биполярных, артемова, усилительные, 529, транзисторов, каскад
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа