Аналитический расчет усилителя при схеме включения с оэ

Широкое применение нашли усилители с емкостной связью (рис.24), в которых на входе и выходе устанавливаются разделительные конденсаторы и . За счет них исключается влияние источника входного сигнала и нагрузки на режим работы по постоянному току. Конденсаторы выбираются на столько большой емкости, чтобы они не оказывали влияние на переменные составляющие токов.

Рис.24. Усилитель с емкостной связью на биполярном транзисторе

Рассмотрим назначение других элементов.

Резисторы и образуют делитель напряжения и служат для задания режима покоя, т.е. создают напряжение смещения , которое и определяет ток базы покоя .

Резистор служит для стабилизации положения точки покоя за счет отрицательной обратной связи по постоянному току. Параметры режима покоя сильно зависят от температуры, это в основном проявляется в прямой зависимости от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры сквозного начального тока коллектора , напряжения на эмиттерном переходе и коэффициента . При отсутствии мер по стабилизации тока , его температурные изменения привести к перемещению точки покоя настолько, что при заданной амплитуде входного сигнала колебания рабочей точки может выходить за приделы рабочего участка (рис.17). Это может привести к искажению формы кривой выходного сигнала. Стабилизирующее влияние обратной связи можно показать, рассмотрев ее влияние на ток покоя базы , который определяется из схемы (рис.25,а).

Рис.25. К расчету тока базы покоя

В этой схеме - напряжение покоя на эмиттерном переходе, - напряжение покоя на резисторе

.

Для удобства определения , используя понятия об эквивалентном генераторе, заменим исходную схему (рис.25,а) эквивалентной (рис.25,b) из которой найдем

,

где ;

.

Предположим, что под влиянием температуры ток увеличится, точка покоя переместится вверх по нагрузочной прямой. Это приводит к увеличению тока и ,соответственно, к уменьшению базового тока, и точка покоя переместится вниз в состояние, близкое к исходному. Отрицательная обратная связь по постоянному току стремится поддержать ток покоя коллектора на неизменном уровне, а, следовательно, стабилизирует положение рабочей точки.

Конденсатор шунтирует (уменьшает сопротивление) по переменному току, уменьшая тем самым проявление отрицательной обратной связи по переменной составляющей. Отсутствие конденсатора привело бы к уменьшению коэффициента усиления схемы.

Эквивалентная схема усилителя с учетом всех элементов имеет вид (рис. 26)

Рис.26. Эквивалентная схема усилителя с емкостной связью

Эту схему легко упростить, если принять во внимание следующие соотношения:

,

,

,

,

т.е. все конденсаторы выбираются настолько большими, что их сопротивлениями на самой низкой рабочей частоте можно пренебречь по сравнению с сопротивлениями резисторов подключенных к ним.

Упрощенная эквивалентная схема будет иметь вид (рис.27).

Рис.27. Упрощенная эквивалентная схема усилителя с емкостной связью

Анализируя эту эквивалентную схему можно определить основные параметры усилителя:

,

,

,

.

с учетом сопротивлений делителя и , сопротивления источника усиливаемого сигнала и сопротивления нагрузки.

Лабораторная работа №3

Исследование полевого транзистора

Виртуальный эксперимент

Цель работы: Исследование характеристик полевых транзисторов различных структур. Исследование усилительных свойств полевых транзисторов. Определение основных параметров усилителей на основе полевых транзисторов.

Порядок выполнения работы

1. Исследование статических характеристик полевого транзистора с управляющим - переходом.

На рабочем поле программы Electronics Workbench (EWB) создается схема для снятия статических характеристик полевого транзистора с управляющим - переходом (рис. 1).

Рис.1. Схема для снятия статических характеристик полевого транзистора с управляющим - переходом

Снять, в соответствии с таблицей 1, и построить выходную (стоковую) характеристику полевого транзистора с управляющим переходом .

Таблица 1

, В	0.5	1	2	5	10	20	, В
, мА							-1
, мА							-2
. мА							-3

В схеме выбрать следующие параметры: эдс источника , сопротивление потенциометра . Полевой транзистор с управляющим переходом КП302 находиться в библиотеке российских элементов RU. Значение сопротивления между движком и правым концом уменьшается с шагом 5% при нажатии на клавишу R и увеличивается при нажатии клавиш R-Shift, что позволяет регулировать напряжение от 0 до 10 В. Для изменения напряжения необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши по значку источника и установить нужное значение в выпадающем меню. Построить выходную характеристику.

Снять, в соответствии с таблицей 2, и построить управляющую (стоко-затворную) характеристику полевого транзистора .

Таблица 2

, В	0	1	2	3	4	, В
, мА						10
, мА						5

Определить динамическое сопротивление полевого транзистора на крутом и пологом участках характеристики. Найти напряжение отсечки .

2. Исследование статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом

На рабочем поле программы Electronics Workbench (EWB) создается схема для снятия статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом (рис. 2).

Рис.2. Схема для снятия статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом

Снять, в соответствии с таблицей 3, и построить выходную (стоковую) характеристику полевого транзистора с встроенным каналом .

Таблица 3

, В	0.5	1	2	5	10	20	, В
, мА							+1
, мА							0
. мА							-1

В этой схеме используются два разнополярных источника и , которые подключаются через ключ с помощью клавиши Space. Полевой транзистор со встроенным каналом КП305 выбирается из библиотеки российских компонентов RU.

Снять, в соответствии с таблицей 4, и построить управляющую (стоко-затворную) характеристику полевого транзистора со встроенным каналом .

Таблица 4

, В	0	1	2	3	4	-1	-2	-3	-4	, В
, мА										10
, мА										5

Выделить на характеристиках участки, соответствующие режимам обогащения и обеднения.

3. Исследование статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом

На рабочем поле программы Electronics Workbench (EWB) создается схема для снятия статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом (рис.3)

Рис.3. Схема для снятия статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом

Снять, в соответствии с таблицей 5, и построить выходную (стоковую) характеристику полевого транзистора с индуцированным каналом .

Таблица 5

, В	0.5	1	2	2,5	5	10	20	, В
, мА								-3
, мА								-4
. мА								-5

Снять, в соответствии с таблицей 6, и построить управляющую (стоко-затворную) характеристику полевого транзистора с индуцированным каналом . Полевой транзистор с индуцированным каналом КП304 находится также в библиотеке российских элементов RU. Обратите внимание на полярность включения источников и .

Таблица 6

, В	0	-1	-2	-3	-4	-5	, В
, мА							-5
, мА							-10

Определить пороговое напряжение .

4. Исследование одиночного каскада на полевом транзисторе с управляющим - переходом

На рабочем поле программы Electronics Workbench создать модель усилителя с общим истоком (рис. 4)

Рис. 4. Схема усилителя с общим истоком

Задать следующие номинальные значения источников и элементов схемы: , , , , , , , .

Вольтметры и амперметр служат для контроля координат рабочей точки на статических характеристиках транзистора. Провести нагрузочную прямую, по данным измерений определить положение рабочей точки на семействе выходных и передаточных характеристик. В полученной точке вычислить значение статических параметров полевого транзистора: крутизны , динамического сопротивления , статического коэффициента усиления . Рассчитать значение основных параметров усилителя: коэффициента усиления , входного сопротивления , выходного сопротивления .

Построить временные диаграммы изменения тока стока и напряжения на стоке , при амплитуде входного сигнала 1 В.

Перед запуском схемы установить входной сигнал на панели функционального генератора (форма синусоидальная, амплитуда 0.1 В). К входу и выходу подключить двухлучевой осциллограф, причем, желательно, соединение проводить цветными линиями, т.к. цвет линии определяет цвет осциллограммы.

Запуск схемы производится кнопкой в правом верхнем углу экрана.

Запустить осциллограф, щелкнув по его изображению левой кнопкой мыши два раза. Для удобства наблюдений настройте развертку по оси «Х» «Time base» и масштабы по оси «Y» каналов А (левый вход), В (правый вход). Увеличьте размер экрана кнопкой Expend. Остановить перемещение осциллограммы по экрану можно, включив «Pause». Зарисуйте полученную осциллограмму. Установив курсор на амплитудное значение выходного напряжения, определите амплитуду выходного и входного напряжений при отключенной нагрузке. Проделать этот же эксперимент при включенной нагрузке. Объяснить полученный результат. Рассчитать коэффициент усиления по напряжению при отключенной нагрузке и выходное сопротивление усилителя.

Построить амплитудно-частотную и фазовую характеристики усилителя. Для этого воспользуемся аналитическими возможностями EWB. Входной сигнал следует установить 10 мВ. В меню Circuit выбрать Schematic Option и включить Show nodes и Show reference ID. На схеме появятся номера узлов и номера элементов. Запомните номер узла, соответствующий выходу усилителя. В меню включить кнопку Analysis, а в выпадающем меню выбрать расчет частотных характеристик AC Frequency. Выставить условия расчета: начальную частоту FSTART=1Гц; конечную частоту FSTOP=1 МГц; тип масштаба частоты Sweep type «Decade»; число точек Number of points –100; тип вертикальной шкалы Vertical scale –«Linear»; номер узла, для которого рассчитываются частотные характеристики Nodes for analysis, выбирается из списка номеров узлов цепи Nodes in circuit. Выбрать следует номер узла, соответствующий выходу усилителя. Запустите процесс расчета частотных характеристик кнопкой «Simulate». Полученное изображение увеличьте на весь экран.

На АЧХ и ФЧХ установите сетку Toggle Grid и маркеры Toggle Cursors. При включении маркера появляется таблица, показывающая координаты пересечения линии 1 и 2 маркеров с характеристикой, а также разность координат. По АЧХ определите частоты нижнего и верхнего среза усилителя. Для этого найдите и перемещайте один из маркеров в области низких частот до тех пор, пока координата Y не станет равной . Координата Х в этой точке соответствует частоте нижнего среза . Аналогично найдите частоту верхнего среза в области верхних частот. На частотах и определите фазовые сдвиги ( ) и ( ). Зарисуйте полученные характеристики.