Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Основными параметрами полевых транзисторов являются: крутизна характеристики S, коэффициент усиления μ и внутреннее сопротивление Ri.

Крутизной характеристики S полевого транзистора называют отношение изменения тока стока к вызывавшему его изменению напряжения на затворе при UСИ=const

Коэффициентом усиления μ полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при IС=const

Внутренним сопротивлением Ri полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока к соотвествующему изменению тока стока при UЗИ=const

Коэффициент усиления, крутизна характеристики и внутреннее сопротивление полевого транзистора связаны между собой соотношением

Рабочей областью характеристик полевых транзисторов является область динамического равновесия, в которой для современных полевых транзисторов S=0,3…3 мА/В, а Ri составляет несколько мегаом. Важнейшими особенностями полевых транзисторов являются их очень высокие входное сопротивление (до 1015 Ом) и граничная частота (до 1 ГГц).

111

2.2. Истоковый повторитель (ИП)

Схема усилительного каскада с ОС приведена на рис.4.

б) полная эквивалентная схема усилительного каскада

Рис.4 Истоковый повторитель

Резисторы RЗ1, RЗ2, RИ используются для задания режима по постоянному току. RИ является нагрузкой каскада по постоянному току. Нагрузкой каскада по переменному току будет RН~= RИ║RН. Истоковый повторитель (ИП) охвачен 100 % -ой обратной отрицательной связью по напряжению. Эквивалентная схема одного каскада показана на рис.4б. Сопротивление RЗ представляет параллельное для переменного тока соединение RЗ1 и RЗ2, а R! – параллельное соединение rс и

RИ.

112

-выходное сопротивление полевого транзистора, которое лежит в пределах 10-100 Ком. SUЗИ- источник тока, СЗИ –емкость затвор-исток, лежит в пределах 2-20 пФ, проходная емкость СЗС =0,3-10 пФ, а выходная СВЫХ включает в себя емкость ССИ =3-15 пФ и емкость монтажа. Отметим, что интегральные микросхемы имеют значительно меньшие межэлектродные емкости.

На рис.5 приведена эквивалентная схема ИП для средних частот, когда СЗ можно считать малым по сравнению с большим сопротивлением RЗ, а емкостями СЗИ, СЗС и СВЫХ можно пренебречь.

Рис.5 Эквивалентная схема ИП для средних частот

Из этой схемы следует, что

UВХ =UЗИ +UВЫХ,

причем

UВЫХ= SUЗИ · R!И,,

где R!И= RИ║RН║rс. Следовательно,

UВХ=UЗИ + SUЗИ · R!И.

Тогда

Входное сопротивление самого транзистора предельно большое (109 Ом), поскольку вход – обратно смещенный p-n

113

переход. Но это сопротивление ограничено сопротивлением делителя в цепи затвора RЗ, поэтому входное сопротивление ИП равно:

Для определения выходного сопротивления подадим переменное напряжение на выход эквивалентной схемы на рис.5,отключим RИ и RН и положим Еr=0. Тогда

Таким образом, ИП представляет собой усилительный каскад с большим входным и малым выходным сопротивлением, но с коэффициентом усиления напряжения хотя и очень близким к единице, но никогда не превышающим ее. Кроме того, у ИП весьма широкая полоса пропускания, несколько лучше, чем у ЭП и значительно превосходит полосу пропускания других усилительных каскадов.

Как отмечалось в предыдущей работе, полоса пропускания усилительного каскада определяется двумя постоянными времени τн и τв. для нахождения частотной характеристики ИП можно использовать ту же эквивалентную схему в области высших частот, что и для ЭП, откуда следует τв

≈RВЫХ ·С. Но у ИП τв меньше, чем у ЭП из-за малых выходных емкостей. Это говорит о том, что верхняя граничная частота у

ИП несколько выше. Кроме того, у ИП входное сопротивление чрезвычайно велико, постоянная времени τн оказывается очень большой. Следовательно, частотная характеристика в области низших частот лучше, чем у ЭП и других усилителей. Таким

114

образом, у ИП частотная и переходная характеристики можно считать не вносят никаких частотных искажений. Еще одним достоинством ИП и ЭП напряжения является их большой динамический диапазон (амплитудная характеристика имеет большой линейный участок). Поэтому повторители не вносят амплитудных искажений и часто используются в качестве последнего каскада в предварительных усилителях.

3.Порядок выполнения работы

3.1.Принадлежности к работе

3.1.1.Лабораторный макет истокового повторителя.

3.1.2.Вольтметр универсальный цифровой типа В7 –16А.

3.1.3.Измерительные генераторы синусоидальных сигналов типа Г3-112.

3.1.4.Генератор прямоугольных сигналов типа Г5-56, Г5-54.

3.1.5.Универсальный осциллограф С1-70.

Схема лабораторного макета приведена на рис.6

Рис.6 Истоковый повторитель, лабораторный макет

3.2.Рабочее задание

3.2.1.Измерить режим по постоянному току.

3.2.2.При определенных значениях Rr и RН подать на вход повторителя синусоидальные колебания (f~несколько КГц), к

115

выходу каскада подключить осциллограф, пронаблюдать колебания на входе и выходе.

3.2.3. Снять и построить амплитудную характеристику UВЫХ

=ƒ(UВХ).

3.2.4.Снять и построить зависимости Кu=ƒ(Rr), Кu=ƒ(RН) для средней частоты.

3.2.5.Снять и построить амплитудно-частотную характеристику при двух разных значениях RН (Rr=const).

3.2.6.Пронаблюдать прохождение положительного и

отрицательного импульсов через каскад для разных значений Rr и СН. Измерить амплитуду, длительность, время нарастания, спад вершины входного и выходного импульсов.

4.Отчет

Вотчете о проделанной работе должны быть краткий конспект по теории простейшего усилителя, принципиальная и эквивалентная схема. По всем пунктам рабочего задания должны быть приведены соответствующие таблицы и графики. Интерпретация результатов измерений и полученных графиков зависимостей, а также их сравнение с теоретическими представлениями.

5.Контрольные вопросы

5.1.Нарисуйте принципиальную и эквивалентную схему истокового повторителя.

5.2.Опишите принцип действия и характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом, с индуцированным и встроенным каналами.

5.3.Почему полевой транзистор называется также униполярным?

5.4.Чем объясняется большое входное сопротивление полевых транзисторов?

5.5.Какие отличия и преимущества полевого транзистора перед биполярным?

116

5.6.При каких напряжениях на затворе МДП-транзистора с индуцированным каналом транзистор работает в режиме обогащения?

5.7.При каких напряжениях на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом транзистор работает в режиме либо обогащения, либо обеднения?

5.8.Отчего зависит полоса пропускания и АЧХ ИП?

5.9.Напишите формулу коэффициента усиления ИП для средних частот.

5.10.Чему равно входное и выходное сопротивления ИП?

6.Литература

6.1.Манаев В.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1990.-512 с.

6.2.Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от элементов до устройств. М.: Радио и связь, 1993.- 352 с.

6.3.Основы радиоэлектроники. Под ред. Г.Д.Петрухина,

МАИ.- М., 1993.- 416 с.

6.4.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний, М., 2000.- 488 с.

6.5.Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 1988.- 464 с.

6.6.Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы. М.: Лайт ЛТД, 2000.- 415 с.

6.7.Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 2000.- 399 с.

117

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО КАСКАДА УСИЛЕНИЯ

1. Цель работы

Определение основных параметров и характеристик дифференциального каскада усиления.

2. Теоретические сведения

Во многих случаях требуется обрабатывать сигналы инфранизких частот, для усиления которых обычные схемы усилительных каскадов с разделительными и блокирующими емкостями оказались мало пригодными из-за необходимости использования конденсаторов большой емкости, следовательно, и больших габаритов. Для усиления медленно меняющихся во времени сигналов применяются усилители постоянного тока (УПТ). В УПТ применяются непосредственная связь между каскадами, так как связь через разделительные конденсаторы и трансформаторы не обеспечивает передачи постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Отсутствие разделительных конденсаторов позволяет получить практически безинерционный усилитель с широкой полосой усиления от нуля до fmax (рис.1).

Рис.1. АЧХ усилителя постоянного тока

118

Непосредственная (гальваническая) связь между каскадами применяется и в усилителях переменного тока, особенно при выполнении их в виде интегральных схем. В них нежелательно применение переходных конденсаторов, так как они занимают очень большую площадь по сравнению с транзисторами и резисторами. Но принципиальным недостатком УПТ является появление паразитного сигнала на выходе из-за дрейфа нулясамопроизвольного изменения выходного сигнала при отсутствии входного сигнала. Даже небольшие флуктуации постоянного тока транзистора в первом каскаде УПТ создают приращения напряжения на его выходе, которые затем усиливаются другими каскадами и выделяются на нагрузке как полезный сигнал, т.е. их невозможно отличить от полезных сигналов. Дрейф нуля вызывается изменением напряжения источника питания, температурными изменениями входной характеристики, начального коллекторного тока и параметров транзистора, а также старением элементов. Для устранения этого недостатка используются схемы параллельно-балансных УПТ, называемых дифференциальными усилителями. Дифференциальным каскадом (ДК) усиления называются устройство, усиливающее разность двух напряжений. В идеале выходное напряжение такого усилителя пропорционально только разности напряжений, приложенных к двум его выходам, и не зависит от их абсолютной величины. Базовая схема ДК на биполярных транзисторах показана на рис.2.

Он состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор с идентичными параметрами транзисторов (они подбираются) и равенством сопротивлений. В общую эмиттерную цепь включается резистор Rэ, либо источник стабильного тока I0, достоинство которого будет объяснено позже. Главное достоинство этой схемы – уменьшение дрейфа нуля на один-два порядка. Действительно, в отсутствии сигнала токи и коллекторные потенциалы будут одинаковы, а выходное напряжение будет равно нулю (как разность двух одинаковых напряжений). В силу симметрии нулевое значение Uвых сохраняется при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах, какими бы причинами такое изменение ни

119

вызывалось. Следовательно, в идеальном ДК дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть сравнительно большим. Это преимущество в полной мере проявляется только в интегральном исполнении, при котором транзисторы и резисторы каскада изготовляют на одной подложке единым технологическим процессом.

Рис.2. Базовая схема дифференциального усилителя

Такой способ изготовления гарантирует незначительный разброс параметров обоих плеч каскада, а близкое их расположение на подложке обеспечивает одинаковые температурные условия.

2.1. Принцип работы дифференциального каскада

Рассмотрим принцип работы дифференциального каскада, считая, что входные сигналы подаются на базы транзисторов Т1 и Т2 относительно общей точки (земли), а выходной сигнал снимается между коллекторами. При анализе работы ДК пользуются понятиями синфазного и противофазного (дифференциального) входного сигнала. Если сигналы одинаковы по величине и фазе, то его называют синфазным. Если фазы колебаний отличаются на 1800, то сигнал считается

противофазным.

120