- •Методические указания
- •Лабораторная работа №1 Исследование диодов, биполярных и полевых транзисторов
- •Лабораторная работа №2 Исследование каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе
- •Требования к каскадам и режим работы
- •Резисторный каскад Применение, принципиальные и эквивалентные схемы
- •Характеристики и расчетные формулы резисторного каскада
- •Расчетные формулы каскада в области средних частот.
- •Расчет транзисторного резисторного каскада
- •Лабораторная работа №3 Исследование каскада предварительного усиления на полевом транзисторе
- •Лабораторная работа №4 Исследование эмиттерного повторителя
- •2.Домашнее задание и методическое указание
- •3.Содержание отчета
- •Библиографический список
- •Методические указания
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Расчет транзисторного резисторного каскада
Расчет транзисторного резисторного каскада предварительного усиления начинают с выбора принципиальной схемы каскада, удовлетворяющей предъявленным к каскаду требованиям, и выбора рода транзистора (биполярный или полевой), а также характера его проводимости (р-n-р или n-р-n, р-канал или n-канал). При этом решают вопрос о выборе схемы стабилизации рабочей точки, о необходимости введения в каскад развязывающего фильтра RфСф и т. д. Если используется биполярный транзистор, то выбирают материал полупроводника (германий или кремний). Германиевые транзисторы не следует применять в новых разработках, а также при большом диапазоне изменения температуры (Тmах—Tmin>50cC). В новых разработках рекомендуется использовать только кремниевые транзисторы. Для того чтобы каскад не вносил больших частотных искажений на верхней рабочей частоте fB, предельная частота усиления тока fT, используемого в каскаде транзистора, а также транзистора следующего каскада должна быть не ниже (1—3)fвh21эср, а для каскада усиления импульсных сигналов — не ниже (0,1—0,3) h21эср/ty
Полевые транзисторы используют при необходимости получения очень высокого входного сопротивления каскада (выше десятков килоом) или для обеспечения наименьшего уровня собственных шумов каскада. Однако не следует забывать, что вследствие малой крутизны характеристики полевой транзистор дает хорошее усиление только при работе на следующий каскад с достаточно большим входным сопротивлением (не ниже нескольких килоом).
В каскадах предварительного усиления звуковых частот применяют маломощные низкочастотные транзисторы, в широкополосных каскадах — маломощные высокочастотные. Ток покоя коллектора (стока) I0 выбирают достаточным для обеспечения расчетной амплитуды входного тока сигнала следующего каскада с небольшим запасом, гарантирующим малые нелинейные искажения:
, (30)
где I~m — амплитуда переменной составляющей выходного тока, равная сумме переменных составляющих тока всех цепей, нагружающих транзистор. Найденное значение I0 не должно превышать допустимого для транзистора; однако ток покоя не следует брать ниже (0,7-1)мА для низкочастотных транзисторов и (2—3) мА для высокочастотных, так как при меньших токах ухудшаются усилительные свойства транзисторов и не гарантируются указанные в справочнике параметры. Для получения от каскада максимального усиления сопротивление резистора R в выходной цепи транзистора (рис. 7) берут возможно большим, но допустимым по падению на нем напряжения питания, а также допустимым по частотным искажениям на верхней рабочей частоте или по времени установления каскада.
Рис. 7. К расчету резисторного каскада предварительного усиления на полевом транзисторе.
В транзисторных резисторных каскадах без высокочастотной коррекции сопротивления резисторов (рис. 7) обычно рассчитывают исходя из допустимого падения на них напряжения питания:
Rэ или ;
, (31)
где Е — напряжение питания, подводимое к рассчитываемому каскаду; I0 — ток покоя выходной цепи транзистора; Iф — постоянная составляющая тока, протекающая через резистор Rф. Значения коэффициентов при Е в формулах (31) для R и Rэ (или Rи) желательно брать такими, чтобы сумма коэффициентов составила 0,5—0,6; в этом случае напряжение покоя между выходными электродами транзистора U0, равное разности Е и падения напряжения питания на R и Rэ (или Rи), окажется равным (0,5— 0,4) Е. При этом уменьшается возможность выхода рабочей точки из линейного участка характеристики при изменении температуры или напряжения питания и старении или замене транзистора в каскаде. Коэффициент усиления по току Кт в этом случае обычно лежит в пределах (0,65—0,9)h21э. Напряжение питания, подводимое к каскаду, не должно превышать допустимое для используемого транзистора, чтобы исключить возможность его пробоя при сильных запирающих транзистор сигналах.
Максимально допустимое значение сопротивления резистора R при заданных частотных искажениях Мв на верхней рабочей частоте fв или при заданном времени установления каскада ty можно найти, решив нижнюю формулу (16) относительно R:
. (32)
Величина Rэкв.в=Rэкв.вmax определяется по формулам (17) или (28).
Напряжение смещения база — эмиттер U0б, необходимое для получения выбранного тока покоя коллектора I0к, находят по входной характеристике транзистора для I0Б=I0к/h21эmin. В случае полевого транзистора со схемой истокового смещения напряжение смещения находят по проходной характеристике для транзистора с наименьшим напряжением отсечки.
Коэффициенты усиления каскада определяют по формуле (7) или (9) и (10), расчетную амплитуду входного тока сигнала и амплитуду входного напряжения сигнала при биполярном транзисторе рассчитывают по следующим выражениям:
. (33)
Частотные искажения на нижних частотах в каскадах рис. 7 будут создаваться как конденсатором межкаскадной связи С, так и конденсатором схемы стабилизации Сэ или Си; конденсатор фильтра Сф в полосе рабочих частот обычно не вносит искажений. Емкость конденсатора С рассчитывают по формуле (13) или (23) исходя из допустимых частотных искажений Мн.с, вносимых им на низшей рабочей частоте, или из Δт; при этом считают Rэкв.н~R; R0=Rвх.сл. Вследствие низкого входного сопротивления каскадов с биполярными транзисторами в них конденсаторы С можно применять электролитические, соблюдая правильность полярности их включения; во входной цепи полевых транзисторов, разделительные конденсаторы С следует брать с высоким сопротивлением изоляции, имеющие бумажный, пластмассовый или слюдяной диэлектрик и хорошо защищенные от влаги; электролитические конденсаторы здесь не пригодны из-за сравнительно большого и непостоянного тока утечки, который может очень сильно изменить напряжение смещения на затворе или сетке.
В случае промежуточного каскада с биполярным транзистором это можно сделать лишь после расчета предыдущего каскада, так как для расчета Сэ нужно знать сопротивление источника сигнала Rист во входной цепи рассчитываемого каскада. Полный коэффициент частотных искажений каскада Мн на низшей рабочей частоте можно считать равным произведению Мн.с и Мн.э, найденных по формулам (12) и (14); при полевом транзисторе Мн=Мн.сМн.и.
Вносимые каскадом частотные искажения Мв на высшей рабочей частоте определяются по формуле (15), а входящую в нее емкость С0~Сб.э.сл – по формуле (14); при биполярном транзисторе искажения будут максимальны для транзистора с fеmin и h21эmax.
2.ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ.
2.1 Изучить теоретический материал
Задания для выполнения лабораторной работы
1) Снять амплитудную характеристику с ООС по переменной составляющей и без обратной связи по переменой составляющей; Рассчитать по полученным данным: коэффициент усиления с ООС и без ООС, коэффициент передачи обратной связи;
2) Снять АЧХ с ООС по переменной составляющей и без обратной связи;
а) Рассчитать коэффициент усиления с ООС и без ООС и рассчитать коэффициент передачи. Сравнить полученные результаты с пунктом №1
б) По полученным данным определить полосу пропускания с ООС и без ООС
3) Определить коэффициент передачи тока транзистора на котором выполнен каскад предварительного усиления.
Порядок выполнения работы:
Запустите программу Electronics Workbench и откройте из неё файл: pnp_ОЭ.ewb
Ставим переключатель 2 в положение конденсатор включен, т.е. без ООС.
На Function Generator выставляем входное напряжение 0.1мВ при фиксированной частоте равной 10кГц, запустив моделирование путем нажатия выключателя в правом верхнем углу снимите показания с вольтметра на выходе. Повторите измерения для различных входных напряжений, найдите максимум напряжений. Данные занесите в таблицу, постройте график амплитудной характеристики.
Ставим переключатель 2 в положение конденсатор отключен, т.е. с ООС.
На Function Generator выставляем входное напряжение 0.1мВ при фиксированной частоте равной 10кГц, запустив моделирование путем нажатия выключателя в правом верхнем углу снимите показания с вольтметра на выходе. Повторите измерения для различных входных напряжений, найдите максимум напряжений. Данные занесите в таблицу, постройте график амплитудной характеристики.
Найдите среднее значение Uвх const лежащие между максимальным и минимальным входным напряжением для ООС и без ООС.
По полученным данным в пунктах 3 и 5 рассчитайте коэффициент усиления с ООС
Kooc= UвыхООС/Uвх const
и коэффициент усиления без ООС. Рассчитайте коэффициент передачи ОС.
Перевести переключатель 2 в положение конденсатор включен, т.е. без ООС.
В Function Generator ставим входное напряжения равное Uвх const .
Запускаем в Workbench Bode Plotter на построенном графике находим значение частоты 10кГц и соответствующее ей выходное напряжение (Uвых при f=10кГц), находим частоты fн и fв по уровню -3дБ(0.707) от Uвых при f=10кГц, находим некоторое значение промежуточных точек. Данные заносим в таблицу. Рассчитайте полосу пропускания по формуле F= fв - fн . Рассчитайте коэффициент усиления и коэффициент передачи, сравнить с пунктом 7
Перевести переключатель 2 в положение конденсатор отключен, т.е. с ООС.
Запускаем в Workbench Bode Plotter на построенном графике находим значение частоты 10кГц и соответствующее ей выходное напряжение (Uвых при f=10кГц), находим частоты fн и fв по уровню -3дБ(0.707) от Uвых при f=10кГц, находим некоторое значение промежуточных точек. Данные заносим в таблицу. Рассчитайте полосу пропускания по формуле F= fв - fн .Рассчитайте коэффициент усиления и коэффициент передачи, сравнить с пунктом 7.
Рассчитать коэффициент передачи тока транзистора с ООС и без ООС по формуле: h21э=Iк/Iб.
Сделать вывод о проделанной работе.
3.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
3.1 Цель работы.
3.2 Схемы p-n-p БП транзистора без обратной связи, p-n-p БП транзистора с обратной связи.
3.3 Расчеты в соответствии с вариантом домашнего задания
3.4 Результаты измерений представленные в виде таблиц и графиков.
3.4 Вывод о работе.