МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ

Просмотров

Free Web Counters

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

1. Цель работы

Изучение работы усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ) и определение его основных параметров.

Основные сведения о транзисторных каскадах Читать >>>

2. Методика исследования схем

В работе исследуются усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОЭ. Рабочая схема усилительного каскада с ОЭ приведена на Рис. 1. Работа схемы исследуется методом моделирования в CхСАПР Orcad 9.2.

Схема усилительного транзисторного каскада с общим эмиттером

Рис. 1. Схема усилительного транзисторного каскада с общим эмиттером

3. Подготовка к работе

1. Изучить рекомендуемую литературу [1] и описание данной лабораторной работы.

2. Для схемы усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ) (Рис.1) и указанных параметров элементов (смотрите таблицу ниже) рассчитать:

- коэффициент усиления каскада в режиме холостого хода (Kuхх);

- входное сопротивление каскада (Rвх);

- выходное сопротивление каскада (Rвых).

Таблица. Исходные данные для расчета усилительного каскада ОЭ

Р Eпит, В R1, kОм R2, kОм Rк, Ом Re1, Ом Re2, kОм
1 35 10 8.4 1.6 820 270 820
2 50 12 7.5 2.4 510 270 1000
3 70 15 12 2.2 390 330 680
4 75 10 8.4 1.6 200 330 910
5 80 12 15 5.1 470 360 750
6 120 15 24 4.3 430 360 1000
7 100 10 18 3.3 820 390 620
8 45 12 20 6.2 510 390 820
9 120 15 36 6.2 390 430 510
10 35 10 8.4 1.6 820 430 1100
11 50 12 7.5 2.4 510 470 330
12 70 15 12 2.2 390 470 1300
13 75 10 8.4 1.6 200 510 300
14 80 12 15 5.1 470 510 1500
15 120 15 24 4.3 430 560 220
16 100 10 18 3.3 820 560 1200
17 45 12 20 6.2 510 620 430
18 120 15 36 6.2 390 620 1600
19 35 12 8.4 1.6 820 680 360
20 50 15 7.5 2.4 510 680 1800
21 70 18 12 2.2 390 750 470
22 75 15 8.4 1.6 200 750 910
23 80 15 15 5.1 470 820 300
24 120 18 24 4.3 430 820 2000
25 100 15 18 3.3 820 910 300

3. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1.

Расчет Эксперимент
Kuхх
Rвх
Rвых

4. Рабочее задание

1. Собрать схему согласно Рис. 2. в редакторе схем программного пакета СхСАПР Orcad 9.2 - «Schematics».

Рабочая схема транзисторного каскада с общим эмиттером

Рис. 2. Рабочая схема транзисторного каскада с общим эмиттером

Открыть библиотеку элементов (Draw – Get New Part) и из нее вытянуть на рабочее поле все требуемые элементы: резисторы – R, конденсаторы – С, источник питания - VDC, источник входного сигнала – VSIN, биполярный транзистор n-p-n-типаQ2N2222, земля (аналоговая) – AGND.

Расположить элементы на рабочем поле, а затем соединить их в соответствии с принципиальной схемой на рисунке 2.

Установить параметры резисторов и источника питания в соответствии с рабочим заданием (табл.1). Емкости конденсаторов: CP1=5u, CP2=5u, CE=50u, CH=10n. Сопротивление нагрузки RH=100к. Напряжение источника питания VDC установить равным 9v.

Для синусоидального источника входного сигнала установить: AC=1; DC=0; VOFF=0; VAMPL=100mv; FREQ=1k.

Сохранить схему, присвоив файлу имя в латинице.

Примечание: Имя папки и файла схемы не должно содержать русских букв и не должно находиться на Рабочем столе операционной системы.

Установить режим расчета схемы по постоянному току (Analysis – Setup – Bias Point Detail).

Запустить программу расчета PSpice (F11 или пиктограмма ).

Определить напряжение на коллекторе, базе и эмиттере транзистора, нажав на пиктограмму .

Для определения токов нажать на пиктограмму .

Результаты полученных токов и напряжений занести в таблицу 3.

Таблица 3

Iк, мА

Uкэ, В

2. Подав на вход синусоидальный сигнал с частотой f = 1кГц и амплитудой Um = 100мВ, проверить работоспособность усилительного каскада. Определить коэффициент усиления Kuхх. Сравнить с расчетным.

Установить режим расчета схемы во временной области (Analysis – Setup – Transient...) с параметрами: Print Step = 20us; Final Time = 5ms.

Установить на входе и выходе схемы маркеры для вывода осциллограмм напряжения ();

Запустить программу расчета PSpice (F11 или пиктограмма ). В окне программы с помощью электронных курсоров определить амплитуду входного и выходного синусоидального сигнала. Курсоры доступны после нажатия на пиктограмму , и их можно перемещать левой или правой кнопками мыши. В окошке Probe Cursor первая колонка цифр - для оси абсцисс (X), вторая колонка для оси ординат (Y). Для более точных измерений любой элемент графика можно увеличить с помощью окна, доступного после команд View - Area. Размеры окна регулируются при нажатой левой кнопки мыши. Для возвращения в программу Schematics нужно закрыть окна программ Probe и PSpice. Коэффициент усиления каскада в режиме холостого хода (RH = 100k) определяется как отношение амплитуд неискаженного выходного сигнала к входному (Кu = ΔUвых / ΔUвых).

3. Увеличивая амплитуду входного сигнала до , наблюдать за изменением амплитуды и формы выходного сигнала. Для этого можно воспользоваться глобальным параметром AMPL и повторять п.3 рабочего задания требуемое количество раз. Однако лучше автоматизировать этот процесс.

Для этого необходимо:

Для синусоидального источника входного сигнала установить: AC=1; DC=0; VOFF=0; VAMPL={AMPL}; FREQ=1k.

● Установить директиву PARAM на рабочее поле схемы (Рис.2) из библиотеки элементов (Draw – Get New Part);

● В свойствах директивы PARAM внести изменения: NAME1 = AMPL, VALUE1 = 100mV;

Установить (Analysis - Setup) режим PARAMETRIC со следующими параметрами: Global Parameter; Linear; Name = AMPL; Start Value = 100mV; End Value = 1V; Increment = 100mV.

Произвести расчет схемы (F11 или пиктограмма ) и получить набор графиков входного синусоидального напряжения и выходного сигнала. При запросе системы о выборе графика для вывода на экран "нажать" кнопку OK. В левой нижней части экрана расположены цветные идентификаторы для каждого из графиков. При активизации электронных курсоров перенос курсора с одного графика на другой производится щелчком кнопки мыши на выбранном идентификаторе. Определить как положительные, так и отрицательные максимальные значения выходного напряжения.

Таблица 3

Uвх, В 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
U+вых, В
U-вых, В

Результаты свести в таблицу и построить зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала Uвых(Uвх) – амплитудную характеристику. Определить динамический диапазон входного сигнала.

4. Снять частотную характеристику усилительного каскада и определить коэффициент усиления усилителя в полосе пропускания Kuхх и граничные частоты усиления fн и fв.

Отключить режимы PARAMETRIC и TRANSIENT. Установить режим анализа по переменному току (AC Sweep) с параметрами: Decade, Pts/Decade = 101, Start Freq = 10, End Freq = 1Meg.

Отключить маркер входного сигнала, а к выходу схемы подключить специальный маркер для измерения коэффициента передачи в децибелах (Markers - Mark Advanced – Vdb). В этом случае выходной сигнал равен коэффициенту усиления, т.к. Uвх=1В. Однако коэффициент усиления в этом случае измеряется в децибелах: K(дБ)= 20Lg(Uвых/Uвх).

Произвести расчет схемы (F11 или пиктограмма ) и получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) транзисторного каскада.

С помощью электронных курсоров определить коэффициент усиления в области средних частот, а на уровне –3дБ определить граничные частоты.

Таблица 4

Kuхх fн fв

5. Определить входное сопротивление каскада Rвх, сравнить с расчетным.

Для определения входного сопротивления необходимо нанести (Trace – Add) график зависимости входного сопротивления от частоты (остальные графики удалить). Это можно сделать, записав в командной строке окна Trace Expression выражение: V(V1:+)/I(V1), где V1 – условное обозначение источника входного сигнала.

Определить входное сопротивление исследуемого каскада Rвх в области средних частот и сравнить с расчетом.

6. Меняя сопротивление нагрузки в диапазоне 10…100 кОм, построить график Ku(Rн). Определить выходное сопротивление каскада.

Установить режим PARAMETRIC с параметрами: Name = RL; Decade; Start Value = 100k; End Value = 10k; Pts/Decade = 2.

Запустить схему на расчет (F11 или пиктограмма ) и получить семейство амплитудно-частотных характеристик исследуемого каскада.

Определить коэффициент усиления для всех значений нагрузки и затем построить график Ku(Rн).

Выходное сопротивление Rвх исследуемого каскада можно определить из соотношения или с помощью графика Ku(Rн) по уровню 0,5Kuхх.

Таблица 5

Rн, кОм

10

20

40

60

70

80

100

Кихх, дБ

5. Методические указания

К основным параметрам усилительных каскадов относятся:

Кu = ΔUвых / ΔUвых - коэффициент усиления напряжения;

Rвх = ΔUвх  / ΔIвх - входное сопротивление каскада;

Rвых = ΔUвых  / ΔIвых - выходное сопротивление каскада.

Основные параметры каскада на биполярном транзисторе  можно рассчитать, используя h-параметры малосигнальной схемы замещения транзистора:

Ku= (h21э [Rk ll Rн ll (1/h22э)] / h11э + (h21э + 1)Rэ

Rвх= [h11э + (h2+ 1)Rэ]||Rб

Rвых= Rк || (1/h22э)

В современных справочниках h-параметры не задаются. В этом случае их можно приближенно определить через рабочий ток транзистора Iк и коэффициент усиления h следующим образом:

h11э ≈ βφт/Ik,    h2 = β,    h22э  ≈ 0.

Здесь φт - тепловой потенциал, который для комнатной температуры +20°С примерно равен 25 мВ.

Литература

1. В.Д. Разевиг. Система проектирования OrCAd 9.2. - М.: Издательство СОЛОН, 2001. -519с.

2. Электротехника и электроника. Учебник для вузов. - В 3-х кн. Кн. 3. Электрические измерения и основы электроники/ Г.П. Гаев, В.Г. Герасимов, О.М. Князьков и др.; Под ред. проф. В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. (УДК 621.3; Э45).3.

3. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов /Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2000. – 768с.: ил. (О-60 УДК 621.396.6)

4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Сов. радио. 1980. - 424с.