практикум по Электронике и МПТ 2 курс

На нагрузочной прямой для постоянного тока выбирают положение рабочей точки 0. Если каскад предназначен для усиления малых сигналов, то рабочую точку берут на том участке, где изменения сигнала на управляющих электродах вызовут наибольшие изменения выходного тока. При этом стремятся обеспечить такой режим, чтобы мощность, потребляемая каскадом, была минимальной.

Условие (3.1) выполняется во всех точках пересечения семейства вольтамперных характеристик с линией нагрузки по постоянному току. Задавая различный управляющий сигнал на входе электронного прибора, меняют положение его рабочей точки и соответственно ток покоя, и падение напряжения на компонентах цепи.

Таким образом, положение рабочей точки нелинейного активного прибора однозначно определяется сигналом, поданным на его управляющий вход.

Усиление сигнала происходит за счет того, что изменения токов и напряжений в коллекторной цепи больше входного сигнала.

Методика построения линии нагрузки не зависит от типа нелинейного прибора.

Рабочую точку Uo , I o в общем случае выбирают исходя из режима, в котором должен работать электронный прибор, а также из заданных амплитуд выходного напряжения Um и связанного с ним

тока I m .

Если усилительный каскад должен работать в режиме А, то при малом входном сигнале (несколько мВ) рабочую точку активного элемента выбирают исходя из соображений экономичности, а также получения от каскада требуемого усиления. Последнее обусловлено, тем что параметры электронных приборов, определяющие их усилительные свойства, зависят от положения рабочей точки.

Для биполярных и полевых транзисторов значения тока в точке покоя от 100 мкА до нескольких мА. В интегральных схемах транзисторы часто работают в так называемом микрорежиме, при котором их ток в точке покоя составляет несколько мкА.

При работе с большими сигналами рабочую точку выбирают так, чтобы обеспечивалось получение требуемого усиления сигнала при допустимых нелинейных искажениях и по возможности высоком КПД. И рабочую точку выбирают ориентировочно на середине

61

прямолинейного участка ВАХ.

Кроме того, требуется, чтобы напряжения, токи и мощности, рассеиваемые на электронных приборах, не превышали предельно допустимых значений

В процессе выбора рабочей точки могут быть получены разные результаты. При этом нахождение параметров, близких к оптимальным, как правило, осуществляют с помощью экспериментальных опытов, путем подбора номиналов резисторов, которые обеспечивали бы получение требуемых значений напряжений и токов.

3. ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ДЕТАЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Вкачестве источника входного переменного сигнала использовать генератор звуковых частот (Г3-36) или ему подобный.

Вкачестве напряжения питания в схеме использовать источник постоянного сглаженного напряжения.

Контроль за формой сигнала в различных точках схемы, и измерение напряжений на компонентах исследуемой схемы следует проводить электронным осциллографом, имеющим закрытый и открытый входы(MOS-620, C1-68, C1-72 и др.).

Измерение постоянных и переменных напряжений можно проводить и цифровым вольтметром В7-38 или ему подобным.

Используемые в ходе выполнения лабораторной работы детали:

-биполярный транзистор проводимостью p-n-p или n-p-n типа;

-магазин сопротивлений;

-набор резисторов, выбираемых по результатам расчета;

62

4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Во время выполнения лабораторной работы необходимо помнить:

При сборке электрической схемы избегать пересечения

проводов;

Пайку контактов, сборку и разборку, внесение изменений в электрическую схему необходимо производить только при отключенном источнике питания и генераторе сигнала.

Источник электропитания подключается к собранной электрической цепи в последнюю очередь. Собранную цепь можно включать только после проверки и с разрешения преподавателя.

Запрещается оставлять не выключенные приборы и устройства без надзора и допускать к ним посторонних лиц.

После проведения необходимых измерений необходимо отключить исследуемую схему от источника питания и (или) генераторе сигнала.

ВНИМАНИЕ! Для подачи в схему входного сигнала от генератора сигналов и измерения напряжения в точках схемы с помощью осциллографа используются коаксиальные кабели, которые имеют два вывода. Один вывод – информационный, другой «земля». Для определения этих выводов, необходимо настроить осциллограф на I-й или II-й канал и установить луч посередине экрана, подключить измерительный кабель к осциллографу. Взяться пальцами за один из контактов. Если на экране появится размытое изображение – это информационный вывод, если четкая прямая линия – «земля». Эту же операцию повторить и для второго коаксиального кабеля.

5. ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ И МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

5.1. Определиться с выбором схемы, которая будет рассчитываться и анализироваться в ходе выполнения лабораторной работы. Для этого по справочнику определить проводимость

63

выданного для экспериментальных исследований транзистора (p-n-p или n-p-n типа) и выбрать «правильную» схему (рис. 3.6, а или рис. 3.6, б).

Рис. 3.6. Усилительный каскад собранный по схеме с общим эмиттером:

а- с использованием транзистора проводимостью p-n-p типа;

б- с использованием транзистора проводимостью n-p-n типа

5.2. Расчитать выбранную схему.

Для расчета в статическом режиме параметров усилительного каскада будем использовать графо-аналитический метод.

5.2.1. По справочнику для исследуемого транзистора найти и зарисовать в увеличенном масштабе его входные и выходные вольтамперные характеристики рис. 3.7.

Рис. 3.7. Вольтамперная характеристика биполярного транзистора: входная характеристика (а); выходная характеристика (б)

64

Графо-аналитический метод базируется на том, что ток в

где I0 и U0 - ток и падение напряжения на транзисторе VT.

Для выбора положения рабочей точки, определяемого напряжением U0 и током I0 , строят линию нагрузки по

постоянному току на семействе выходных вольтамперных характеристик транзистора (рис. 3.7, б).

5.2.2. Для построения линии нагрузки рассматривают два крайних случая:

1. Принимают сопротивление транзистора VT равным бесконечности. Тогда номиналами сопротивлений R3 и R4 по

сравнению с бесконечно большим сопротивлением транзистора можно пренебречь, ток, протекающий в цепи равен нулю, а падение напряжения на нем равно Eпит . Это дает первую точку для

построения линии нагрузки по постоянному току Епит Uкэ при

Iк 0;

2.Принимают сопротивление транзистора VT равным нулю и,

соответственно, падение напряжения на нем равно нулю. Тогда ток, протекающий в цепи, равен:

Соединив эти две точки между собой, получим линию нагрузки по постоянному току. Линия нагрузки по постоянному току – это вольтамперная характеристика линейных резисторов, включенных последовательно с нелинейным элементом (транзистором). Все возможные значения токов и напряжений лежат в точках пересечения этих двух вольтамперных характеристик рис. 3.8.

65

5.2.5. На пересечениях линии нагрузки с линиями семейства

напряжения рабочую точку следует выбирать на середине линии нагрузки. Тогда, ток покоя транзистора VT и падение напряжения на нем должны определяться точкой O1 (рис. 3.8).

Для определения точки O1 ориентировочно находится Iк max

(точка А на рис. 3.8), при котором транзистор еще находится в активной области, и Iк min (точка Б на рис. 3.8), при котором ток транзистора VT еще во много раз больше I КБО . Рабочая точка O1 выбирается на середине расстояния между точками А и Б. Если статический режим характеризуется рабочей точкой O1, то амплитуда выходного сигнала будет максимальной, а падение напряжения на транзисторе будет равно UкэО1 при токе IкO1 (рис. 3.8).

Для получения этого положения рабочей точки, ток базы должен быть равен значению IБO1 . Значение тока IБO1 получают с

помощью делителя R1, R2 (рис. 3.7), задавая потенциал базы таким, чтобы обеспечивался требуемый ток базы.

5.2.6. Рассчитать параметры делителя напряжения на

транзистора мало зависит от тока базы. При выполнении этого условия ток базы следует взять максимальным, который будет при выбранных режимах.

67

сопротивлениями R1 R2 , равно

где h21э – статический коэффициент передачи базового тока в коллектор (коэффициент усиления транзистора по току), который находится по справочнику; IБ – ток базы в выбранном режиме (в приведенном выше примере IБO1 ); U БЭ – напряженна между базой и

эмиттером при выбранном токе базы (находится из входной вольтамперной характеристики транзистора (рис. 3.7, а)

Постоянное напряжение, которое должно быть приложено между базой и эмиттером транзистора U БЭ , определяется с помощью входной характеристики (рис. 3.9).

Рис.3.9. Входная вольтамперная характеристика транзистора

Так как вид входной вольтамперной характеристики мало меняется при изменении напряжения U КЭ , то в справочниках обычно

приводятся кривые, снятые только при двух значениях U КЭ , одно из

которых – ноль. При расчетах обычно пренебрегают отличием напряжения U КЭ от того, при котором определена входная характеристика (но можно и построить примерно характеристику для значения напряжения U КЭ (в приведенном примере расчета U КЭ O1

рис. 3.8) полученного выбранной рабочей точки из выходной ВАХ).

68

Определив напряжение U БЭ (в нашем примере U БЭ O1 ) при котором будет обеспечено получение требуемого тока базы IБO1 , и учитывая, что ток коллектора и базы создает падение напряжения на

Приближенный характер этих расчетов для практики обычно не имеет существенного значения, так как параметры используемых компонентов имеют разброс 20 – 50%.

резисторов R1 и R2 . Следует отметить, что при выборе резисторов R1 и R2 неизбежны отклонения в значениях их номиналов. В подобных случаях важны не абсолютные значения R1 и R2 , а соотношение между ними. Поэтому целесообразно вместо R1 или R2 использовать магазин сопротивлений.

5.3. Спаять рассчитанную схему (рис. 3.6), предварительно подобрав к ней необходимые элементы, параметры которых определены расчетным путем. На вход схемы подключить переменное напряжение от генератора звуковых частот (рабочая частота задается преподавателем), так же необходимо правильно подать напряжение питания Eпит (рис. 3.6) от источника

постоянного напряжения.

5.4. К выходу схемы (Uвых (рис. 3.6)) подключить осциллограф.

Контролируя форму выходного напряжения по осциллографу и

изменяя амплитуду входного напряжения добиться того, чтобы

на выходе схемы было синусоидальное напряжение без ограничения сигнала «сверху» и «снизу».

5.5. После того, как будет выставлена максимальная амплитуда выходного напряжения (результат выполнения п. 4.4), с помощью осциллографа измерить указанные в таблице 3.1 напряжения и

69

занести их в таблицу, в которой они должны быть сопоставлены с расчетными данными.

Табл. 3.1

Uвх Uвых U Б U БЭ U КЭ

Рассчитанное значение

Полученное значение экспериментальным путем

5.6. Определить расчетный и полученный коэффициент усиления схемы.

Усиление входного сигнала получают за счет того, что входной сигнал изменяет ток базы (приложение дополнительного напряжения создает приращение тока базы IБ ). Соответственно меняется ток коллектора и падение напряжения на резисторе R3 . Причем, так как приращение тока коллектора в h21э раз больше приращения тока

базы, то наблюдается существенное усиление входного сигнала. Так,

5.7. Объяснить причины расхождения расчетных значений с полученными результатами в ходе эксперимента, сделать выводы.

5.81. Изменением параметров делителя напряжения на сопротивлениях R1 и R2 добиться, чтобы режим работы активного прибора совпал с расчетным (рекомендуется в качестве R1 или R2 использовать магазин сопротивлений). Определить параметры компонентов схемы, при которых это выполняется.

5.9. Определить минимальную амплитуду входного

1 Пункты выполняются по указанию преподавателя

70