Лабораторная работа № 1. Исследование резисторного каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе

Вариант: без вариантов

Внимание! Это лр «Основы схемотехники» (САЭУ) по специальности «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» (РС, РВ и ТВ) (Архипов Сергей   Николаевич)

Другие работы по этому курсу ЛР№2 и ЛР№3.

Работа с таким же названием (предмет Основы Схемотехники) есть по вариантам и ещё такая.

 

Лабораторная работа № 1 “Исследование резисторного каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе”

 

• Цель работы

 

Исследовать влияние параметров элементов схемы каскада с эмиттерной стабилизацией на его показатели (коэффициент усиления, частотные и переходные характеристики).

 

• Подготовка к работе

 

2.1. Изучить следующие вопросы курса:

• цепи питания и схемы смещения транзисторных каскадов усиления;
• построение и использование нагрузочных прямых резисторного каскада для постоянного и переменного токов на семействе выходных статических характеристик;
• свойства и особенности каскадов предварительного усиления;
• назначение элементов принципиальной схемы резисторного каскада;
• амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) резисторного каскада;
• переходные характеристики резисторного каскада;
• эквивалентные схемы и линейные искажения в резисторном каскаде; расчетные соотношения для резисторного каскада.

2.2. Изучить принципиальную схему усилителя (рисунок 12), особенности работы с программой Electronics workbench.

2.3. Для заданной схемы рассчитать следующие параметры усилителя:

• Коэффициент усиления по напряжению, сквозной коэффициент усиления каскада.
• Коэффициент частотных искажений каскада на частоте 40 Гц, обусловленной влиянием емкости в цепи эмиттера С_э (С5) и разделительных конденсаторов С_{р вх} (С1) и С_{р вых} (С2). Определить общий коэффициент частотных искажений, вносимых этими элементами. При этом учесть, что выходное сопротивление транзистора значительно больше сопротивления в цепи коллектора R4.
• Коэффициент частотных искажений М_в на частоте 100 кГц, обусловленной динамической емкостью С_{бэ дин} транзистора и емкостью нагрузки С_н (С3). Определить общий коэффициент частотных искажений, вносимых этими элементами.
• Время установления переднего фронта прямоугольного импульса малой длительности (t_и = 5мкс). При этом считать, что переходные искажения в области малых времен определяется выходной цепью каскада:

t_уст = 2,2× С_н × R_{эв вых},(2.1)

где R_{эв вых} – эквивалентное сопротивление выходной цепи каскада, рассчитанное для диапазона верхних частот.

• Спад плоской вершины прямоугольного импульса большой длительности (t_и = 5000мкс). Общий спад плоской вершины прямоугольного импульса вследствие влияния разделительных емкостей равен:

D _общ = D _{Ср вх} + D _{Ср вых} ,(2.2)

Исходные данные: транзистор типа KT 3102А с параметрами: h_21э = 200, С_к = 10 пФ, f_h21э = 1,5 МГц, r_бб = 120 Ом; напряжение источника питания E₀ = 15В, ток покоя транзистора i_к0 = 3мА.

Литература

1. Травин Г.А. Основы схемотехники устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения. Учебное пособие. Часть 2. – Новосибирск: СибГУТИ, 2002, стр. 10-65.
2. Конспект лекций.

 

• Описание схемы исследуемого усилителя

 

Принципиальная схема резисторного каскада приведена на рисунке 10.

Транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером. Необходимый режим работы и стабилизации тока обеспечивается резисторами R2, R3, R5. При этом делитель напряжения R2,R3 создает требуемое напряжение смещения, а R5 предназначен для эмиттерной стабилизации постоянного коллекторного тока транзистора VT1. Через сопротивление R4 подается постоянное питающее напряжение от источника питания на коллектор VT1, кроме того, благодаря R4 усиленный сигнал поступает в нагрузку. Конденсаторы С1 и С2 разделяют по постоянному току входную и выходную цепи усилителя. Конденсатор С5 служит для устранения отрицательной обратной связи по переменному току за счет R5. Малая емкость в цепи эмиттера С4 создает частотно-зависимую отрицательную обратную связь, применяемую для коррекции частотной характеристики на верхних частотах. Резистор R1 эквивалентен внутреннему сопротивлению источника сигнала, а R6 служит нагрузкой для усилителя. Наконец, конденсатор С3 имитирует емкость нагрузки.

Коэффициент усиления по напряжению в области средних частот определяется по следующей формуле:

,(2.3)

Эквивалентное сопротивление нагрузки по переменному току равно параллельному соединению сопротивлений R4 и R6:

, (2.4)

Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером:

r_бб + r_б-э = r_бб + r_э × (1 + h_21э), (2.5)

где r_э – активное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от режима работы транзистора.

Рисунок 10 – Принципиальная схема лабораторной установки в формате Electronics Workbench

Для малошумящих транзисторов r_э определяется по эмпирической формуле (2.6):

,(2.6)

Активное сопротивление между базой и эмиттером равно (2.7):

r_б-э = (1 + h_21э) × r_э ,(2.7)

Сквозной коэффициент усиления по напряжению равен произведению коэффициента передачи входной цепи и коэффициента усиления каскада и определяется по формулам (2.8) и (2.9):

,(2.8)

Коэффициент передачи входной цепи:

,(2.9)

Входное сопротивление каскада R_вх, представляет собой параллельное соединение входного сопротивления транзистора R_{вх э} и сопротивлений делителя в цепи базы R_б

,(2.10)

где R_б – определяется выражением (2.12), а входное сопротивление транзистора – выражением (2.5).

Эквивалентное сопротивление источника сигнала R_ист равно параллельному соединению сопротивлений R1, R2 и R3, то есть:

, (2.11)

,(2.12)

Сопротивление эквивалентного генератора R_эн (для области нижних частот) представляет собой параллельное соединение сопротивления коллекторной нагрузки R4 и выходного сопротивления транзистора R_вых.Если R4 невелико, то R_эн » R4. При понижении частоты сопротивление разделительной емкости растет, а ток в цепи и, соответственно, напряжение на нагрузке уменьшается, что приводит к возникновению частотных искажений.

Коэффициент частотных искажений, вносимых разделительными емкостями:

,(2.13)

. (2.14)

Для большой емкости в цепи эмиттера (при сравнительно небольших частотных искажениях, вызываемых цепочкой R_эС_э) коэффициент частотных искажений можно рассчитать по приближенному выражению

,(2.15)

где К_T – динамический коэффициент усиления по току, который в приближенных расчетах можно брать равным статическому коэффициенту усиления по току h_21э.

При этом общий коэффициент частотных искажений усилительного каскада определяется как

М_н = М_{нр вх} × М_{нр вых} × М_нэ(2.16)

На верхних частотах частотные искажения, вносимые динамической емкостью С_{бэ дин} транзистора, определяются выражением:

,(2.17)

где внутреннее сопротивление эквивалентного генератора для входной цепи каскада

,(2.18)

Частотные искажения, вносимые емкостью нагрузки С_н транзистора

,(2.19)

где внутреннее сопротивление эквивалентного генератора для входной цепи каскада

.(2.20)

Относительный спад плоской вершины импульса большой длительности за счет разделительных емкостей

(2.21)

4 Задание к работе в лаборатории

4.1. Ознакомиться с методикой проведения измерений с применением программы Electronics Workbench.

4.2. Исследовать амплитудно-частотные характеристики:

• схемы без коррекции;
• схемы с частотно-независимой обратной связью;
• схемы с эмиттерной высокочастотной коррекцией.

По измеренным данным определить граничные частоты f_н и f_в и коэффициент передачи по напряжению на средней частоте К(f_ср)

4.3. Исследовать переходные характеристики схемы:

а) в области малых времен:

• • • без коррекции;
    • с эмиттерной высокочастотной коррекцией.

б) в области больших времен:

• • без коррекции;
  • схемы с частотно-независимой обратной связью.

По измеренным данным определить время установления фронта импульса (τ_у) и относительный спад плоской вершины (Δ).

5. Порядок выполнения работы

5.1. Запустить программу Electronics Workbench (см. с. 16). После завершения загрузки управляющей оболочки необходимо открыть схему лабораторной установки, для чего выбрать в меню File команду Open, (либо щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме в линейке меню) а затем из предложенного списка выбрать файл lab4.ewb.

5.2. Измерить амплитудно-частотные характеристики.

Измерения проводятся с помощью Боде-плоттера (см. с. 14) для нескольких вариантов схемы, отличающихся величинами емкостей в цепи эмиттера (С4, С5), а также выходной разделительной емкости (С2) и емкости нагрузки (С3). Подключение различных емкостей в цепи эмиттера производится с помощью переключателей S1 и S2 нажатием соответствующей клавиши (“1” или “2”) на клавиатуре. Изменение величин С2 и С3 выполняется с учетом рекомендаций с.8.

Произвести измерения логарифмической АЧХ для следующих вариантов:

а) без коррекции и без обратной связи по переменному току (С5 включен):

• при номинальных значениях С2 и С3 (соответственно 2,7мкФ и 500пФ);
• при уменьшении С2 и увеличении С3 (соответственно 75 нФ и 900пФ);

б) для схемы с частотно-независимой обратной связью (С5 и С4 выключены)

при номинальных значениях С2 и С3 (соответственно 2,7мкФ и 500пФ);

в) с эмиттерной высокочастотной коррекцией (С4 включен, С5 выключен) при номинальных значениях С2 и С3 (соответственно 2,7мкФ и 500пФ).

По измеренным АЧХ определить значения граничных частот f_н и f_в и определить К(f_ср). Граничные частоты определяются при допустимых частотных искажениях М_н = М_в = 3 дБ.

Указание. Анализ АЧХ производится в следующем порядке.

1. Двойным щелчком левой кнопки мыши на пиктограмме открыть расширенное окно Боде-плоттера.
2. Включить схему с помощью переключателя .
3. Выбрать функцию Display Graphs, для чего щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме ) для точного определения координат любой точки на кривой частотной характеристики. При вызове курсоров появляется дополнительное окно, в котором отображаются параметры расположения обоих курсоров. Окно Analysis Graphs принимает вид, представленный на рисунке 11. Для передвижения курсора надо навести указатель мыши на него и, удерживая левую кнопку мыши, перевести курсор на нужное место.

В окне Gain будут указаны координаты точек пересечения первого (х1, у1) и второго (х2, у2) курсоров с выбранной характеристикой.

Кроме этого, в этом же окне указаны разность координат двух точек пересечения курсоров по оси х (dx) и по оси у (dy), а также максимальные и минимальные значения характеристик для выбранной области построения.

Рисунок 11 – Пример исследования ЛАЧХ с применением окна Analysis Graphs

Таким образом, перемещая курсоры, можно определить нижнюю и верхнюю частоты, на которых коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ. Коэффициент передачи на средней частоте определяется при перемещении одного из курсоров на средний участок АЧХ, где величина К имеет постоянное значение.

После проведения измерений для заданного варианта схемы окно Analysis Graphs закрывается, производится изменение параметров для следующего варианта и процесс измерений, описанный в п. 1 – 3 повторяется.

Замечание: при использовании программ компьютерного моделирования измерение частотных характеристик не требует установки необходимого напряжения на генераторе, поскольку все характеристики нелинейных элементов для заданного режима работы автоматически линеаризуются, а испытательный сигнал формируется самим Боде-плоттером независимо от источника входного сигнала.

5.3. Исследовать переходную характеристику каскада в области малых времен (t_и = 5 мкс). Измерения производятся с помощью осциллографа (см. с. 10 -13) при подачи прямоугольных импульсов с частотой f_с= 100 кГц и амплитудой U_{m ист} = 20 мВ на вход исследуемого усилителя.

Перед проведением измерений необходимо открыть окно многофункционального генератора, для чего дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме ). Обратить внимание на единицы измерения.

Исследовать переходные характеристики для следующих вариантов:

а) без коррекции и без обратной связи по переменному току (С5 включен)

• • • при номинальных значениях элементов;
    • при увеличении емкости нагрузки (С3 = 900 пФ);

б) с эмиттерной высокочастотной коррекцией (С5 выключен, С4 включен) при номинальном значении емкости нагрузки (С3 = 500 пФ);

Для всех вариантов зарисовать форму выходного сигнала и измерить время установления импульса.

Указание. Анализ переходной характеристики производится в следующем порядке.

1. Двойным щелчком левой кнопки мыши на пиктограмме открыть расширенное окно осциллографа.
2. Включить схему с помощью переключателя .
3. Установить развертку по оси времени (ячейка “Time base”) таким образом, чтобы на экране осциллографа подробно рассмотреть форму выходного напряжения в течение одного периода сигнала (рекомендуемое значение — 1 μs/div). Кроме этого, следует установить удобные значения масштабов напряжения по каналам “А” и “В” (соответственно для входного и выходного сигналов). Для удобства измерения можно сместить сигналы относительно друг друга, используя регулировки в ячейке “Y-position”.
4. Для измерения временных параметров нужно остановить процесс моделирования повторным нажатием на переключатель или кнопку Pause.
5. Пример расширенного окна осциллографа показан на рисунке 12.

Рисунок 12 – Пример исследования ПХ с применением осциллографа

По аналогии с исследованием частотных характеристик, в расширенном окне осциллографа можно использовать курсоры для измерения временных параметров. Для определения времени установления (t_у) первый курсор устанавливается на уровень 0.1, а второй – на уровень 0.9 относительно установившегося значения. Тогда временной интервал, показанный в соответствующей ячейке “Т2 – Т1” будет составлять искомое значение. Если фронт импульса очень крутой (для схемы с высокочастотной коррекцией), можно “растянуть осциллограмму”, уменьшив время развертки в ячейке “Time base”.

5.4. Исследовать переходную характеристику каскада для области больших времен (t_и = 2500 мкс), для чего подать с выхода генератора на вход схемы прямоугольные импульсы с частотой f_с = 200 Гц.

Исследовать переходные характеристики для следующих вариантов:

а) без коррекции (С5 включен) – при номинальных значениях элементов;

б) без коррекции, при уменьшении С2 в 1,5 – 2 раза;

в) с частотно-независимой обратной связью (C4 и С5 выключены) — при номинальных значениях элементов схемы.

Для всех вариантов измерить спад плоской вершины и зарисовать форму выходного сигнала схемы.

Указание. Методика работы с окном осциллографа подробно изложена в п. 5.3. Рекомендуемое значение развертки – 0.5 ms/div.

6 Содержание отчета

6.1 Принципиальная схема исследуемого каскада.

6.2 Результаты расчета.

6.3 Графики амплитудно-частотных характеристик.

6.4 Осциллограммы выходного импульсного сигнала, данные измерений переходных искажений.

6.5 Выводы по результатам измерений, сравнение с результатами расчетов.

7 Контрольные вопросы

7.1 Изобразить принципиальную схему резисторного каскада на биполярном транзисторе и пояснить назначение элементов схемы.

7.2 Для схемы резисторного каскада показать пути прохождения постоянных и переменных составляющих токов.

7.3 Объяснить, как происходит инвертирование напряжения сигнала при усилении в схеме включения транзистора с ОЭ.

7.4 Изобразить принципиальную схему двухкаскадного усилителя с резисторно-емкостной связью между каскадами. Определить сопротивления коллекторной нагрузки по переменному току для транзистора первого васкада.

7.5 Объяснить частотные свойства транзистора. Изобразить и пояснить упрощенную эквивалентную схему транзистора для широкой полосы частот в системе физических параметров.

7.6 Построить выходные динамические характеристики каскада (нагрузочные прямые) для постоянного и переменного токов.

7.7 Изобразить эквивалентные схемы входной и выходной цепи каскада для широкой полосы частот. Преобразовать схему для области нижних, средних и верхних частот.

7.8 По эквивалентной схеме для области нижних частот объяснить причины частотных искажений.

7.9 Изобразить переходные характеристики каскада в области больших и малых времен. Объяснить причины переходных искажений. Какими параметрами они оцениваются?

7.10 Объяснить влияние эмиттерной высокочастотной коррекции с помощью малой емкости в цепи эмиттера на частотную и переходную характеристики.

7.11 Объяснить, как влияет изменение величин элементов схемы на амплитудно-частотную и переходную характеристики (R_ист, R_н, С_{р вх}, С_{р вых}, С_н).

7.12 Объяснить влияние обратной связи на характеристики резисторного каскада. Показать, как она образуется в схеме исследуемого усилителя.

7.13 Объяснить влияние большой емкости в цепи эмиттера на амплитудно-частотную и переходную характеристики.

7.14 Пояснить процесс составления и преобразования эквивалентных схем для заданного диапазона частот на примере схемы лабораторной установки.