Лабораторная работа № 1 “Исследование резисторного каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе” 2019 года

Лабораторная работа № 1 “Исследование резисторного каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе” 2019 года

Лабораторная по курсу Схемотехника телекоммуникационных устройств 2019 года (Бородихин М. Г.). Подобные л/р но с другими условиями есть тут и тут.

• Лабораторная №1
• Лабораторная №2
• Лабораторная №3

1. Цель работы

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

2. 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 3.1).

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_рвых (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_эввых,                                       (2.1)

где R_эввых – 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_Срвх + D_{Ср вых},                                              (2.2)

Варианты задания

Исходные данные выбрать в соответствие с последней цифрой варианта: транзистор типа KT 3102А с параметрами: h_21э = 200, С_к = 10 пФ, f_h21э = 1,5 МГц, r_б¢¢б = 120 Ом; напряжение источника питания E₀ = 15В, ток покоя транзистора i_к0 = 3мА.

Литература

Конспект лекций.

3. Описание схемы исследуемого усилителя

Принципиальная схема резисторного каскада приведена на рисунке 3.1.

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:

,                (2.5)

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

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема резисторного каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе

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_нрвх×М_нрвых×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. Содержание отчета

4.1. Принципиальная схема исследуемого каскада.

4.2. Результаты расчета.

4.3 Ответы на контрольные вопросы.

5. Контрольные вопросы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

5.11. 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).

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

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

5.14. Пояснить процесс составления и преобразования эквивалентных схем для заданного диапазона частот на примере схемы исследуе