Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА на ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

1. Цель работы

Изучение работы усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком (ОИ), определение его основных параметров.

2. Методика исследования схем

В работе исследуются усилительный каскад на полевом транзисторе ОИ (Рис. 1). Работа схемы исследуется методом моделирования в CхСАПР Orcad 9.2

3. Подготовка к работе

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

2. Для схемы усилительного каскада ОИ (Рис. 1) и указанных параметров элементов (табл. 1) рассчитать:

- коэффициент усиления каскада в режиме холостого хода (K_{u хх});

- входное сопротивление каскада (R_вх);

- выходное сопротивление каскада (R_вых).

3. Результаты занести в таблицу.

Рис. 1. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком

Таблица 1

4. Рабочее задание

1. C помощью программы «Schematics» собрать схему согласно Рис.2.

Рис. 2. Рабочая схема каскада на полевом транзисторе с общим истоком

• Открыть библиотеку элементов (Draw - GetNewPart) и из нее вытянуть на рабочее поле все требуемые элементы: резисторы - R, конденсаторы - С, источник питания - VDC, источник входного сигнала - VSIN, полевой МДП-транзистор со встроенным каналом n-типа - MbreakN3D, земля - EGND и элемент глобальных имен - Param.

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

• Установить параметры резисторов и источника питания в соответствии с рабочим заданием (табл. 1). Емкости конденсаторов: C_p1=1u, C_p2=5u, C_и=50u, CH=10n. Сопротивление нагрузки RH={RL}.

Внимание. Фигурные скобки обязательны.

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

• Установить начальные значения для сопротивления нагрузки и амплитуды входного сигнала. Для этого щелкнуть по элементу PARAMETERS и в диалоговом окне установить: Name1=RL, Value1=1000k (это почти холостой ход), Name2=Ampl, Value2=100mv.

• Сохранить схему.

• Установить параметры транзистора. Для этого щелкнуть транзистор один раз (он окрасится). Войти в интерфейсный диалог: Edit - Model - Edit instance model (text)... В окне параметров модели транзисторов установить курсор в конце первой строки (после наименования типа транзистора Mbreakn NMOS) и ввести параметры:

- K_р = <коэффициент пропорциональности>,

- V_t0 = <пороговое напряжение U_o>,

где <коэффициент пропорциональности>, равный удвоенному значению приведенной крутизне транзистора β и <пороговое напряжение U_o> берутся из табл. 1 подготовки к работе. Затем корректно (через кнопку ОК) выйти из режима редактирования.

2. Определить режим схемы по постоянному току.

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

• Запустить схему на расчет (F11 или пиктограмма ).

• Определить потенциалы на стоке, затворе и истоке транзистора, нажав на пиктограмму . Рассчитать напряжения U_зи и U_cи.

• Для определения тока I_c нажать на пиктограмму .

Таблица 2

3. Подав на вход синусоидальный сигнал с частотой f=1кГц и амплитудой U_т=100мВ, проверить работоспособность усилителя. Определить коэффициент усиления K_uхх. Сравнить с расчетом.

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

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

• Запустить программу расчета РSpice (F11 или пиктограмма ). В выплывшем окне программы Probe 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 (RL=1000К) определяется как отношение амплитуд неискаженного выходного сигнала к входному (K_u = ∆U_вых / ∆U_вх).

4. Увеличивая амплитуду входного сигнала до 1В, наблюдать за изменением амплитуды и формы выходного сигнала. Это реализуется автоматизацией процесса. Для этого:

• 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.

5. Снять частотную характеристику усилителя и определить коэффициент уси­ления усилителя в полосе пропускания К_ихх 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 = 1, End Freq = 1Meg.

• Отключить маркеры входного и выходного сигнала, а к выходу схемы подключить специальный маркер для измерения коэффициента передачи в децибелах (Markers - Mark Advanced - Vdb). Так как U_вх=1В, то выходной сигнал равен коэффициенту усиления, который измеряется в децибелах: К(дБ)= 20lg(U_вых/U_вх).

• Запустить схему на расчет и получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя.

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

Таблица 4

6. Определить входное сопротивление каскада R_вх, сравнить с расчетом.

• 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 в области средних частот и сравнить с расчетом.

7. Меняя сопротивление нагрузки в диапазоне 0,1...1000 кОм, построить график K_u(R_н). Определить выходное сопротивление усилителя.

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

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

• В области средних частот определить коэффициент усиления для всех значений нагрузки и затем построить график K_u(R_н).

• Выходное сопротивление усилителя можно определить с помощью графика K_u(R_н) по уровню 0,5K_{u хх}.

кОм	0	0,1	0,32	1,0	3,2	10
Ku, дБ
Кu

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.