3.2. Исследование свойств каскада оэ по сигналу на переменном токе

3.2.1. Построение нагрузочной линии по сигналу.

Переменная составляющая коллекторного тока протекает через резистор RК и сопротивление внешней нагрузки R2Н (рис. 5).

Рис. 5. Принципиальная схема каскада с ОЭ

Таким образом, эквивалентной нагрузкой транзистора RН переменному току на средних частотах оказывается параллельное соединение этих двух элементов схемы. Нагрузочная линия по сигналу проходит (как и нагрузочная линия постоянному току) через точку покоя А. Полагая, что максимальная неискаженная амплитуда выходного тока Iк max равна току покоя I0К, находим амплитуду выходного напряжения.

Рис. 6 повторяет рис.4, на котором определена точка покоя А. Отложим на этом же рисунке по горизонтальной оси напряжение, равное U0К + U2m max (точка В). Соединив точки А и В прямой, получим отрезок нагрузочной линии переменному току (по сигналу) для данной точки покоя при отрицательной полярности сигнала. При положительной полярности сигнала нагрузочная прямая пойдет вверх от точки А.

7,33

Рис. 6. Нагрузочная линия для переменного тока

3.2.2. Расчет элементов модели транзистора для переменного тока (по сигналу).

Выбор модели транзистора по сигналу ИТУТ основан на ранее использованной П-образной схеме (рис. 2) с добавлением к ней частотнозависимых элементов (рис. 7).

Рис. 7. Эквивалентная модель биполярного транзистора для сигнала

Произведем расчет элементов данной модели.

Основные параметры транзистора: τос =300 пс – постоянная времени цепи обратной связи; СК =5 пФ – емкость коллекторного перехода; модуль коэффициента передачи тока =2,5 на высокой частоте f=100 МГц, указанной изготовителем. При комнатной температуре (20 °С) UT = 25,6 мВ, параметр h21=118 вычислен ранее. Выходное сопротивление транзистора при UЭР = 100 В и I_0К = 5 мА - Ri = 20 кОм, что, как правило, значительно больше R_К. По этой причине его часто не учитывают.

,

где k = 1,38 × 10^–21 Дж/°C-постоянная Больцмана; T – температура в градусах Кельвина; q = 1,6 × 10^–19 Кл – заряд электрона

3.2.3. Составление эквивалентной схемы каскада ОЭ.

Рис. 8. Эквивалентная схема каскада ОЭ для малого сигнала

СН = 10 пФ - эквивалентная емкость нагрузки.

Сводная таблица значений всех элементов схемы на рис. 8

Таблица 6

е1

R1И

Ср1

Rб

rб'б

rб'э

Сб'э

СК

h21

RЭ

СЭ

RК

Ср2

R2Н

мВ

кОм

мкФ

кОм

Ом

Ом

пФ

пФ

118

Ом

мкФ

кОм

мкФ

кОм

5

0,1

10,0

3,1

60

610,9

5

118

200

1000,0

1

10,0

2

3.2.4. Расчет параметров АЧХ и ПХ с помощью Fastmean.

1. Расчет АЧХ и ее параметров

Рассчитаем Кскв – сквозной коэффициент усиления на средней частоте в дБ:

=

Определим параметры АЧХ с помощью программы Fastmean, активировав клавишу «частотные характеристики» (проверка на компьютере):

• Сквозной коэффициент усиления Кскв определяем на средних частотах, где характеристика достигает максимального уровня.

Рис. 9. Определение Кскв

• Нижнюю граничную частоту определяем по уровню на 3 дБ ниже Кскв . На рисунке это соответствует примерно 37 дБ.

Рис. 10. Определение частоты нижнего среза

• Верхнюю граничную частоту определяем аналогично нижней.

Рис. 11. Определение частоты верхнего среза

На этих частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается в раз, что соответствует уровню – 3 дБ от его значения на средних частотах. По мощности коэффициент усиления здесь снижается в 2 раза.

Поскольку расчетный Кскв практически совпал со значениями в fastmean, то все расчеты выполнены верно.

2. Расчет параметров ПХ

Для определения параметров ПХ (tН – время нарастания и – процент спада вершины импульса) необходимо подать на вход схемы последовательность прямоугольных импульсов (меандр) с амплитудой e1 = ±5 мВ и длительностью импульсов tИ, указанной в табл. 7. Заданная длительность прямоугольных импульсов устанавливается частотой их следования в окне источника сигнала.

Для определения параметров ПХ вполне достаточно установить конечное время (tmax) в 2…3 раза больше длительности импульса.

• Определим время нарастания фронта импульса tН (ОМВ)

Рис. 12. Прямоугольные импульсы входного и выходного сигнала каскада

Рис.13. Измерение времени нарастания

• Определим процент спада вершины импульса (ОБВ)

– частота следования прямоугольных импульсов

Рис.14. Определение процента спада импульса

Таблица 7

Кскв			*	**	Примечание
дБ	Гц	МГц	%	нс	* tИ = 1,25мс, ** tИ = 25 мкс
39,65	51,683	1,426		262

3.2.5. Определение влияния на параметры АЧХ и ПХ изменений сопротивлений источника сигнала R1И и нагрузки R2Н (рис. 8);

Таблица 8

№ п/п	R1И	R2Н	Кскв			*	**	Примечание
	кОм	кОм	дБ	Гц	МГц	%	нс
1	0,1	2	39,65	51,7	1,4		262	* tИ = 1,25 мс, ** tИ = 25 мкс
2	0,5	2	35,5	30,3	0,7	25	250
3	0,1	0,5	33,8	50,5	2,6	38,7	130
4	0,5	0,5	29,6	37,7	1,1	31,6	280

1. При R1И =0,1 кОм, R2Н = 2 кОм (х-ки рассчитаны в п. 3.2.4.).

2. При R1И = 0,1 и R1И = 0,5 кОм, R2Н = 2 кОм

Графики и характеристики АЧХ и ПХ для R1И = 0,5 кОм, R2Н = 2 кОм

Кскв = 35,5 дБ

3. При R1И = 0,1 кОм, R2Н = 0,5 кОм

Кскв = 33,8 дБ

4. При R1И = 0,5 кОм, R2Н = 0,5 кОм

Кскв = 29,6 дБ

Вывод:

1. При R2Н = 2 кОм, с увеличением сопротивления R1и коэффициент усиления на средней частоте и ПП уменьшаются. Время нарастания не изменяется и процент спада вершины импульса уменьшается.

2. При R2Н = 0,5 кОм, с увеличением сопротивления R1и коэффициент усиления на средней частоте уменьшается и ПП уменьшаются. Время нарастания увеличивается и процент спада вершины импульса уменьшается.

3.2.6 Определение влияния на АЧХ и ПХ емкости нагрузки.

Построим пару АЧХ Сн = 10 пФ и Сн = 100 пФ

При R1И =0,1 кОм, R2Н = 2 кОм

Вывод: Емкость нагрузки незначительно влияет на АЧХ и ПХ каскада.

3.2.7. Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений емкостей разделительных конденсаторов Ср1, Cр2 и блокировочного конденсатора Сэ.

Таблица 9

Ср1 = Ср2	Кскв			*	Примечание
мкФ	дБ	Гц	кГц	%
10,0	39,6				* tИ = 1,25 мс
1,0	39,6

1. При Ср1 = Ср2 = 10мкФ (Сэ = 100 мкФ):

Построим АЧХ и определим ее характеристики:

Ксв = 39,6 Дб

ПХ для импульса длительностью 1250 мкс

2. При Ср1 = Ср2 = 1мкФ (Сэ = 100 мкФ):

Построим АЧХ и определим ее характеристики:

Ксв=39,6 Дб

ПХ для импульса длительностью 1250 мкс

Вывод: При уменьшении емкостей блокировочных конденсаторов коэффициент усиления на средней частоте не изменяется, ПП сужается, а процент спада вершины импульса резко увеличивается.

Построим АЧХ:

1. При Сэ=10 мкФ

2. При Сэ=1000 мкФ (синяя)

Построим ПХ:

1.При Сэ=100 мкФ (см п.3.2.4.)

2.При Сэ=1000 мкФ (синяя)

Вывод: Блокировочный конденсатор влияет, как на АЧХ каскада, так и на ПХ. Коэффициент усиления на средней частоте не изменяется, зато с увеличением ёмкости ПП увеличивается. Процент спада вершины уменьшается.

3.2.8. Измерение входного и выходного сопротивлений каскада ОЭ.

Эти показатели усилителей, наряду с коэффициентом усиления, АЧХ и ПХ, имеют большое значение. По ним можно судить, как будет взаимодействовать устройство с источником сигнала, нагрузкой или с предыдущим каскадом и последующим. Обычно измерения проводят на средней частоте

Входное сопротивление определяем, используя схему на рис. 8.

– входное сопротивление каскада

Для измерения Rвых необходим вспомогательный резистор R. Номинальное значение его сопротивления любое (в пределах 1 Ом –10 кОм). Схема измерения приведена на рис.15.

Рис. 15. Схема каскада на ОЭ для определения выходного сопротивления

- выходное сопротивление каскада