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.

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 (K_uхх);

- входное сопротивление каскада (R_вх);

- выходное сопротивление каскада (R_вых).

Таблица. Исходные данные для расчета усилительного каскада ОЭ

3. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1.

4. Рабочее задание

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

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-типа – Q2N2222, 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

2. Подав на вход синусоидальный сигнал с частотой f = 1кГц и амплитудой U_m = 100мВ, проверить работоспособность усилительного каскада. Определить коэффициент усиления K_uхх. 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 (К_u = ΔU_вых / ΔU_вых).

3. Увеличивая амплитуду входного сигнала до 1В, 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

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

4. Снять частотную характеристику усилительного каскада и определить коэффициент усиления усилителя в полосе пропускания K_uхх и граничные частоты усиления f_н и f_в.

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. U_вх=1В. Однако коэффициент усиления в этом случае измеряется в децибелах: K(дБ)= 20Lg(U_вых/U_вх).

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

5. Определить входное сопротивление каскада R_вх, 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 R_вх в области средних частот и сравнить с расчетом.

6. Меняя сопротивление нагрузки в диапазоне 10…100 кОм, построить график K_u(R_н). 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 K_u(R_н).

Выходное сопротивление R_вх исследуемого каскада можно определить из соотношения или с помощью графика K_u(R_н) по уровню 0,5K_uхх.

Таблица 5

5. Методические указания

К основным параметрам усилительных каскадов относятся:

К_u = ΔU_вых / ΔU_вых - коэффициент усиления напряжения;

R_вх = ΔU_вх / ΔI_вх - входное сопротивление каскада;

R_вых = ΔU_вых / ΔI_вых - выходное сопротивление каскада.

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

K_u= (h_21э [R_k ll R_н ll (1/h_22э)] / h_11э + (h_21э + 1)R_э

R_вх= [h_11э + (h_21э + 1)R_э]||R_б

R_вых= R_к || (1/h_22э)

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

h_11э ≈ βφ_т/I_k, h_21э = β, h_22э ≈ 0.

Здесь φ_т - 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.