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

Лабораторная по курсу «Схемотехника телекоммуникационных устройств» («Основы схемотехники»).
Есть лр с таким же названием для других специальностей, но без варианта и ещё такая.

А лабораторную №2 для этого курса можно найти здесь.

Вариант 01, 11

 

Вариант 02, 12

Вариант 05, 15

1       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;
• 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 особенности работы с программой Electronics workbench и принципиальную схему усилителя (рисунок 11).

2.3. Для заданной схемы, в соответствии с исходными данными, указанными в таблице 1, рассчитать следующие параметры усилителя:

• коэффициент усиления по напряжению, сквозной коэффициент усиления каскада.
• коэффициент частотных искажений каскада на частоте 100 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 = 2,2С_нR_{эв вых},                                              (2.1)

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

• относительный спад плоской вершины прямоугольного импульса большой длительности (t_и = 5000мкс) вследствие влияния разделительных емкостей.

 

Исходные данные для предварительного расчета: транзистор типа KT3102А с параметрами: h_21э=185, С_{бэ дин}=1,8нФ, f_h21э=1,5МГц, r_б¢б = 50 Ом; напряжение источника питания  E_п=15В, ток покоя транзистора i_к0=18,6мА.

Варианты значений выходной разделительной емкости (С2) и емкости нагрузки С4, указанные в таблице 1, выбираются по последней цифре пароля.

 

Таблица 1 – Варианты значений емкостей

 

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
С1, мкФ	2.2	2.5	2.7	3	3.2	3.8	4.0	4.2	4.5	4.7
С2, мкФ	4.7	4.5	4.2	4.0	3.8	3.2	3	2.7	2.5	2.2
С3, пФ	200	300	400	500	200	300	400	500	400	500
С5, мкФ	500	400	500	400	300	200	500	400	300	200

 

Указание: в формате Electronics workbench для обозначения единицы измерения [мкФ] используется суффикс [uF], а для [пФ] – суффикс [pF].

 

 

3       Описание схемы исследуемого усилителя

Принципиальная схема резисторного каскада приведена на рисунке 11.

На схеме рисунка 5.1 транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером. Необходимый режим работы и стабилизации тока коллектора 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 (для повышения коэффициента усиления). Малая емкость в цепи эмиттера С4 создает частотно-зависимую отрицательную обратную связь, применяемую для коррекции частотной характеристики на верхних частотах. При этом общий коэффициент усиления уменьшается, но значительно расширяется диапазон усиливаемых частот.

Рисунок 11 – Принципиальная схема лабораторной установки в формате Electronics workbench

 

Подключение различных емкостей в цепи эмиттера производится с помощью переключателей S1 и S2 нажатием соответствующей клавиши («1» или «2») на клавиатуре. Резистор R1 эквивалентен внутреннему сопротивлению источника сигнала, а R6 является нагрузкой для усилителя. Под нагрузкой для каскада предварительного усиления понимается входное сопротивление следующего усилительного каскада. Конденсатор С3 имитирует влияние емкости нагрузки, в качестве которой может служить входная динамическая емкость транзистора следующего каскада.

В качестве источника сигнала используется многофункциональный генератор, с помощью которого формируется периодический импульсный сигнал для исследования переходных характеристик. На рисунке 5.1 открыто окно генератора для контроля и изменения параметров входного сигнала.

Боде-плоттер подключен непосредственно к источнику сигнала для исследования сквозных логарифмических частотных характеристик. Форма сигнала, формируемого генератором, при измерении частотных характеристик не имеет значения, и генератор лишь обозначает точку приложения входного воздействия. Боде-плоттер сам формирует испытательный гармонический сигнал с частотами, изменяющимися с заданным шагом в пределах выбранного частотного диапазона. При выборе логарифмического масштаба по-умолчанию на одну декаду (десятикратное изменение частоты) берется 100 точек (значений частоты). При задании любого (не нулевого!) значения амплитуды входного сигнала генератора передаточные характеристики нелинейных элементов (транзистора) линеаризуются, и далее выполняется частотный анализ. Таким образом, форма полученных частотных характеристик не зависит от амплитуды входного сигнала, но при нулевом входном сигнале частотный анализ не может быть выполнен.

Двухлучевой осциллограф подключен к источнику (канал А) и нагрузке (канал В) для измерения переходных характеристик.

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

.                                                                               (2.2)

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

.                                                                  (2.3)

Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером:

,                                      (2.4)

Сквозной коэффициент усиления по напряжению равен произведению коэффициента передачи входной цепи на коэффициент усиления каскада:

,                                     (2.5)

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

,                                                                           (2.6)

 

где R_б – определяется выражением (2.8), а входное сопротивление транзистора – выражением (2.4).

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

,                                             (2.7)

.                                                 (2.8)

Сопротивление эквивалентного генератора для области нижних частот (R_эн) представляет собой параллельное соединение сопротивления коллекторной нагрузки R4 и выходного сопротивления транзистора R_вых. Если R4 невелико (много меньше выходного сопротивления транзистора), 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:

,                      (2.9)

.                       (2.10)

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

,                            (2.11)

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 на нижних частотах определяется как произведение

М_н = М_{нр вх} М_{нр вых} М_нэ                                        (2.12)

На верхних частотах частотные искажения могут вноситься входной динамической емкостью С_{бэ дин} транзистора и емкостью нагрузки (С_н = С3). Коэффициент частотных искажений, создаваемых входной динамической емкостью транзистора, определяется выражением:

,                             (2.13)

 

где внутреннее сопротивление эквивалентного генератора для входной цепи каскада

(2.14)

где r_б¢э определяется из (2.4).

Частотные искажения, вносимые емкостью нагрузки С3 транзистора

,                                      (2.18)

где внутреннее сопротивление эквивалентного генератора для выходной цепи каскада

.                                         (2.19)

Относительный спад плоской вершины импульса большой длительности за счет разделительных емкостей находится по приближенным формулам

;                           (2.20)

D_общ = D_{Ср вх} + D_{Ср вых} ,                                                                       (2.21)

 

 

4  Задание к работе в лаборатории

Для данного усилительного каскада представляет интерес решение трех основных задач:

1. Измерение логарифмических амплитудно-частотных (ЛАЧХ) и фазо-частотных (ЛФЧХ) характеристик усилителя с целю исследования влияния реактивных элементов (разделительные емкости, емкость нагрузки, емкость в цепи эмиттера):
   • без учета влияния отрицательной обратной связи по переменному току (при включении большой емкости в цепь эмиттера);
   • с частотно-независимой обратной связью (без подключения емкостей в цепи эмиттера транзистора);
   • с частотно-зависимой обратной связью (при включении малой емкости эмиттера, являющейся элементом высокочастотной коррекции).
2. Измерение переходных характеристик для вариантов схемы, указанных в п.1, и оценка переходных искажений.
3. Объяснение результатов компьютерного эксперимента (почему изменяются коэффициенты усиления, причины и механизм возникновения частотных и переходных искажений), сравнение их с теоретическими расчетами и формулировка основных выводов по результатам исследования.

 

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

По измеренным переходным характеристикам определить время установления фронта импульса t_уст (для импульсов малой длительности) и относительный спад плоской вершины D (для импульсов большой длительности).

 

 

 

 

5. Порядок выполнения работы

 

5.1. Запустить программу Electronics Workbench (см. с. 17). 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 LAB_1.ewb.

5.2. Измерить амплитудно-частотные характеристики.

Измерения проводятся с помощью Боде-плоттера (см. с. 15) 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 стр. 9.

 

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 (указанных в таблице 1);
• при уменьшении С2 и увеличении С3 (примерно в 1,5 – 2 раза);

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

при номинальных значениях С2 и С3 (указанных в таблице 1);

в) с эмиттерной высокочастотной коррекцией (С4 включен, С5 выключен) при номинальных значениях С2 и С3 (указанных в таблице 1).

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. Для проведения частотного анализа – после включения схемы с помощью переключателя  – двойным щелчком мыши открывается окно  Боде-плоттера, в котором при выборе опции «Magnitude» появляется ЛАЧХ (или при выборе опции «Phase» – ЛФЧХ) усилителя. Далее устанавливается удобный масштаб по вертикали (коэффициент усиления в дБ). Для выбора диапазона изменения коэффициента усиления в ячейках «F» и «I» с помощью мыши выставляются максимальное и минимальное значения, при которых характеристика полностью находится в пределах экрана Боде-плотера. Для примера на рисунке 12 показано окно Боде-плотера в режиме просмотра ЛАЧХ (а) и ЛФЧХ (б) с оптимальным выбором параметров, отображающих форму характеристик.

б

а

 

 

Рисунок 12 – Режимы просмотра характеристик в окне  Боде-плотера: ЛАЧХ (а); ЛФЧХ (б).

 

После расчета и отображения ЛАЧХ следует выключить схему повторным нажатием на переключатель . Это делается потому, что при наличии в схеме осциллографа одновременно будет проводиться временной анализ и запоминаться данные до тех пор, пока не заполнится оперативная память, после чего анализ прекращается и на экран выводится соответствующее уведомление.

В принципе, в окне Боде-плотера заложена возможность выполнения измерений, но в связи с малым масштабом (окно прибора не увеличивается), значительно удобнее это сделать в отдельном графическом окне, используя опцию «Display Graphs», где можно одновременно вывести как ЛАЧХ, так и ЛФЧХ и развернуть окно на весь экран. Для этого достаточно щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме   на панели инструментов. При исследовании логарифмических частотных характеристик в режиме Display Graphs выбирается опция «Bode», после чего  в окне отобразятся графики ЛАЧХ и ЛФЧХ. Чтобы вывести масштабную сетку и курсоры для определения параметров частотного анализа, выбирается график ЛАЧХ, для чего надо щелкнуть на нем левой кнопкой мыши. После того как выбор сделан, появляется возможность нанести на график сетку (путем нажатия на пиктограмму  ), а также вывести на график два курсора (путем нажатия на пиктограмму  ) для точного определения координат любой точки на кривой частотной характеристики. При вызове курсоров появляется дополнительное окно, в котором отображаются параметры расположения обоих курсоров. 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.

Таким образом, перемещая курсоры, можно определить нижнюю и верхнюю частоты, на которых коэффициент передачи уменьшается на  3дБ по отношению к коэффициенту передачи на средней частоте. 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 повторяется.

 

Таким образом, 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 . После появления частотной характеристики в окне Боде-плоттера выключить схему повторным нажатием на переключатель .
3. Выбрать функцию Display Graphs. При вызове курсоров появляется дополнительное окно, в котором отображаются параметры расположения обоих курсоров. Окно Analysis Graphs принимает вид, представленный на рисунке 13. Перемещая курсоры, определить К(f_ср), f_н, f_в.
4. 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.

 

 

 

Рисунок 13 – Пример исследования ЛАЧХ с применением окна Analysis Graphs

 

 

5.3. Исследовать переходную характеристику каскада в области малых времен (t_и = 5 мкс). Измерения производятся с помощью осциллографа (см. с. 11 -14) при подачи прямоугольных импульсов с частотой f = 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                 на схеме лабораторной установки.

После этого выбрать  прямоугольную форму сигнала          , значение амплитуды (в поле Аmplitude) и частоты следования импульсов (в поле Frequency). 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 (указанных в таблице 1);
• при увеличении емкости нагрузки (С3) в 1,5 раза;

б) с эмиттерной высокочастотной коррекцией (С5 выключен, С4 включен)  при номинальном значении емкости нагрузки (указанной в таблице 1);

Для всех вариантов отобразить в отчете форму выходного сигнала и положения курсоров для измерения времени 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 . Для измерения временных параметров нужно остановить процесс моделирования повторным нажатием на переключатель или кнопку Pause.
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 — 1ms/div). Кроме этого, следует установить удобные значения масштабов напряжения по каналам «А» и «В» (соответственно для входного и выходного сигналов). Масштаб по оси напряжений (mV/div) устанавливается таким образом, чтобы амплитуда импульсов была максимальной, но сигнал не выходил за пределы экрана (иначе форма сигнала будет искажена). Для удобства измерения можно сместить сигналы относительно друг друга, используя регулировки в ячейке «Y-position».
4. Пример расширенного окна осциллографа показан на рисунке 14.

 

 

Рисунок 14 – 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_уст), характеризующего длительность (крутизну) переднего фронта, первый курсор устанавливается на уровень 0.1U_уст, а второй – на уровень 0.9U_уст, где U_уст – установившееся значение, под которым понимается значение напряжения в конце импульса. Тогда временной интервал, показанный в соответствующей ячейке «Т2 – Т1» будет составлять искомое значение t_уст. 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 (указанных в таблице 1);

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

б) с частотно-независимой обратной связью (C4 и С5 выключены) – при номинальных значениях элементов схемы (указанных в таблице 1).

Для всех вариантов отобразить в отчете форму выходного сигнала и измерить относительный спад плоской вершины, под которым понимается отношение изменения напряжения за время длительности импульса к начальному размаху напряжения. Напряжения определяются по клеткам на осциллографе с учетом выбранного масштаба (по оси напряжений) для канала «В».

 

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

 

 

 

6       Содержание отчета

 

• Принципиальная схема исследуемого каскада.
• Результаты предварительного расчета.
• Графики амплитудно-частотных характеристик с указанием курсоров для определения граничных частот.
• Осциллограммы выходного импульсного сигнала (для области малых и больших времен), данные измерений переходных искажений.
• Выводы по результатам измерений, сравнение с результатами расчетов. Под выводами понимается сравнительные таблицы измеренных параметров (коэффициенты усиления, граничные частоты, t_уст, D_общ) для различных вариантов параметров и объяснение механизма влияния компонентов схемы на АЧХ и ПХ.

7       Вопросы для самопроверки

 

1. Для схемы резисторного каскада показать пути прохождения постоянных и переменных составляющих токов.
2. Изобразить принципиальную схему двухкаскадного усилителя с резисторно-емкостной связью между каскадами. Оба каскада построены по схеме с эмиттерной стабилизацией при включении транзистора с общим эмиттером. Определить сопротивления коллекторной нагрузки по переменному току для транзистора первого каскада.
3. Изобразить упрощенную эквивалентную схему транзистора для широкой полосы частот в системе физических параметров. Объяснить частотные свойства транзистора.
4. Изобразить эквивалентные схемы входной и выходной цепи резисторного каскада усиления для широкой полосы частот. Преобразовать схему для области нижних, средних и верхних частот.
5. По эквивалентной схеме выходной цепи резисторного каскада усиления для области нижних частот объяснить причины частотных и переходных искажений.
6. По эквивалентной схеме выходной цепи резисторного каскада усиления для области верхних частот объяснить причины частотных и переходных искажений.
7. Изобразить переходные характеристики резисторного каскада усиления в области больших и малых времен. Объяснить причины переходных искажений. Какими параметрами они оцениваются?
8. Объяснить действие эмиттерной высокочастотной коррекции с помощью малой емкости в цепи эмиттера на частотную характеристику.