МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра «Вычислительная техника, программное обеспечение и телекоммуникации»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

По дисциплине

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Для специальности 5В071900 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»

Курс - 2, семестр – 4, кол-во кредитов -3, всего часов- 135часов, лобораторные работы - 30ч.

АЛМАТЫ 2013

Методические указания к выполнению лабораторных работ разработаны на основании рабочей программы курса специальности 5В071900 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации».

Составили: к.т.н., асс. проф. Даирбаев А.М.

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры,

протокол № ___, от «___»_________20___г.

Зав. кафедрой, д.т.н. ________________ Мухамедиев Р.И.

Лабораторная работа №1

Исследование усилительного каскада

Цель работы:

       определение режима работы транзистора, основных параметров в усилительном каскаде.

Задание

1. Исследования в системе моделирования Electronics Workbench

2. Рассчитать и установить рабочую точку транзистора по постоянному току.

3. Исследовать характер усиления переменного сигнала усилителем в различных режимах работы транзистора.

Краткие сведения из теории

Свойства усилителя определяется выбором рабочей точки по постоянному току. Режим, в котором работает усилительный каскад, можно определить, построив его нагрузочную линию на семействе выходных характеристик транзистора.

Одним из наиболее распространенных на практике способов задания рабочей точки транзистора в усилительном каскаде является использование делителя напряжения (рисунок 1).

Рисунок 1

Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой

.

(1.1)

Ток базы определяется из выражения

.

(1.2)

Ток коллектора связан с током эмиттера выражением

.

(1.3)

Напряжение на базе транзистора определяется выражением

.

(1.4)

Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. При известных значениях сопротивлений R1 и R2 ток базы транзистора определяется выражением

.

(1.5)

Если , то можно использовать следующие выражения для расчета R_ЭКВ и напряжения на базе транзистора в режиме постоянного тока

,         .

(1.6)

Ток эмиттера определяется по закону Ома

.

(1.7)

Значение напряжения между коллектором и эмиттером вычисляется по закону Кирхгофа

.

(4.8)

Для получения симметричного переменного выходного сигнала усилителя напряжение на коллекторе V_CE должно быть приблизительно равным половине напряжения источника коллекторной цепи.

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада  определяется отношением амплитуд выходного сигнала к входному

.

(1.9)

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд входного напряжения и входного тока

.

(1.10)

Значение дифференциального выходного сопротивления усилителя находится по напряжению холостого хода U_хх на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивлении нагрузки, превышающем 200 kOhm, и по напряжению U_out, измеренному для данного сопротивления нагрузки R_L, из следующего уравнения, решаемого относительно R_out

.

(1.11)

Сопротивление  можно считать разрывом в цепи нагрузки.

Режим насыщения характеризуется низким падением напряжения U_CE. В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на резисторе R_C падения напряжения. Следовательно, напряжение U_CE в режиме отсечки максимально и равно напряжению источника питания.

    Порядок выполнения рабочего задания

1. Соберите схему для задания рабочей точки транзистора по постоянному току с помощью делителя напряжения (рисунок 2).

Включите схему и запишите результаты измерений в таблицу 1 Вычислите коэффициент передачи по току β.

Вычислите значение напряжения на базе транзистора U_B, получаемое с помощью делителя напряжения. Исходя из этой величины, и с учетом, что U_BE0 = 0.7 V, вычислите ток эмиттера и по соотношению между токами транзистора рассчитайте ток коллектора. По рассчитанным значениям токов эмиттера и коллектора вычислите значение напряжения между коллектором и эмиттером U_CE. Результаты расчетов напишите в таблицу. Сравните значения измеренных и рассчитанных величин.

Измените значение сопротивления R₁, чтобы перевести транзистор в режимы насыщения и отсечки. Запишите результаты измерений в таблицу 1.

 

Рисунок 1

Т а б л и ц а   1

Режим	R1, kOhm	UB, V	UCE, V	IB, μA	IC, mA	IE, mA	β
активный	10	3.296	9.806	18.88	3.828	3.847	0.2
акт.расчет
насыщения	40	947.2	18.98	1.749	384.8	386.6	220
отсечки	0,001	19.96	26.54	28.37	470.6	28.84	16.5

2. Соберите схему на рисунке 3 и включите ее в работу. Зарисуйте формы входного и выходного сигналов.

Определите амплитуды входного и выходного сигналов и по полученным результатам вычислите коэффициент усиления усилителя по напряжению. Результат запишите в таблицу 2.

Т а б л и ц а   2

RL	Uin, V	Uout, V	KV	Rout
200 kOhm
2 kOhm

Измените нагрузку (R_L = 2 kOhm) и по результатам измерений амплитуд входного и выходного сигналов вычислите новое значение коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Используя результаты измерений амплитуды выходного сигнала при двух значениях нагрузки, вычислите выходное сопротивление усилителя.

Изменив сопротивление резистора R₁ в 2-3 раза в одну и другую сторону, зарисуйте полученные осциллограммы. Объясните полученные результаты.

Рисунок 3

Отсоедините конденсатор С₃ и зарисуйте полученные осциллограммы и объясните происшедшие изменения выходного сигнала.

Контрольные вопросы:

1. Объясните структуру и принцип работы усилительного каскада.

2. Какими параметрами характеризуется усилительный каскад?

3. Какие условия необходимо обеспечить для того, чтобы усилитель работал без искажений?

4. Как влияет выбор рабочей точки транзистора по постоянному току влияет на форму выходных сигналов усилительного каскада?

5. Как задается рабочая точка транзистора по постоянному току?

6. Какую роль играет конденсатор, подключенный в эмиттерную цепь транзистора?

7. Каково назначение конденсаторов С₁ и С₂?

8. Как практически определяется выходное сопротивление усилительного каскада?

Лабораторная работа №2

Исследование эмиттерного повторителя

  Цель работы: определение входного и выходного сопротивлений эмиттерного повторителя.

Задание

1. Исследования в системе моделирования Electronics Workbench.

2. Провести виртуальное исследование работы эмиттерного повторителя.

Краткие сведения из теории

Схема усилителя с общим коллектором (ОК) или эмиттерного повторителя представлена на рисунке 1. Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОК определяется из следующего выражения

.

(1)

Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим коллектором приближенно равен 1, поскольку сопротивление эмиттерного перехода транзистора r_e обычно очень мало по сравнению с сопротивлением R_E. Из-за этого свойства каскад называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление усилителя r_in  по переменному току экспериментальным путем определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения и входного тока

Рисунок 1

.

(2)

Входное сопротивление r_in.ef эмиттерного повторителя (emitter follower)  по переменному току через параметры элементов цепи определяется следующим выражением

.

(3)

В данном случае для определения входного сопротивления каскада нужно принять во внимание сопротивления резисторов R₁ и R₂. С учетом сказанного получим

.

(4)

Также при расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, которая включается параллельно сопротивлению R_E.

Из выражений для сопротивления видно, что эмиттерный повторитель обладает высоким входным сопротивлением по сравнению с каскадом с ОЭ.

В общем случае выходное сопротивление эмиттерного повторителя в β_АС+1 раз меньше сопротивления R_S (source) источника сигнала на входе эмиттерного повторителя

.

(5)

Если сопротивление R_S источника сигнала на входе эмиттерного повторителя пренебрежимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно дифференциальному сопротивлению перехода база-эмиттер

.

(6)

В случае, когда сопротивление R_S источника сигнала на входе очень велико (сравнимо с β_АС + R_E), сопротивление R_Е должно быть учтено как включенное параллельно найденному выходному сопротивлению эмиттерного повторителя.

Экспериментально выходное сопротивление каскада можно определить по результатам двух измерений: измерения напряжения холостого хода U_хх (на выход каскада подключается сопротивление порядка 200 kOhm и измеряется падение напряжения на нем) и измерения выходного напряжения U_out при наличии нагрузки сопротивлением U_L. После измерений выходное сопротивление можно подсчитать по формуле

.

(7)

Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлениям, каскад с общим коллектором очень часто используют в качестве согласующего устройства между источником и нагрузкой.

Порядок выполнения рабочего задания

Соберите схему, изображенную на рисунке 2. Установите генератор на формирование треугольных сигналов с частотой 1 kHz и амплитудой 200 mV.

Включите схему. Пронаблюдайте входной и выходной сигналы и зарисуйте их.

Измерьте амплитуды входного и выходного сигналов. По результатам измерений вычислите коэффициент усиления по напряжению (Таблица1).

Таблица 1

Uin, V	-3	-2	-1	-0.5	0
Uout, V(R10=10 kOhm)
Uout, V (R17=100 Ohm)

Подключите ключом [Space] резистор RD, размещенный на входе схемы и измерьте амплитуды входного и выходного сигналов. По результатам измерений амплитуды входного сигнала в этом и предыдущем пунктах вычислите входной ток. По величинам i_in и u_in вычислите дифференциальное входное сопротивление r_in.

Закоротите резистор, замкнув ключ. Измените номинал резистора R_L до 200 kOhm. Затем включите схему и запишите результат измерения амплитуды выходного напряжения. Это напряжение приблизительно равно напряжению холостого хода, так как сопротивление 200 kOhm можно считать разрывом цепи. Уменьшите значение этого сопротивления до 200 Ohm и снова включите схему. Измерьте амплитуду напряжения на нагрузке. Вычислите выходное сопротивление каскада по результатам измерений.

Рисунок 2

Контрольные вопросы:

1. Какова разность фаз между входным и выходным синусоидальными сигналами в эмиттерном повторителе? А как в схеме с ОЭ?

2. Почему значение коэффициента усиления по напряжению у эмиттерного повторителя меньше единицы?

3. Велико ли значение выходного сопротивления эмиттерного повторителя?

4. В чем заключено главное достоинство схемы эмиттерного повторителя?

5. В чем главное назначение эмиттерного повторителя?

6. Как работает двухтактный усилитель и где он используется?

7. Как практически определяется выходное сопротивление усилительного каскада?

Лабораторная работа №3

Исследование усилителя на полевом транзисторе

Цель работы:

       определение режима по постоянному току усилителя на полевом транзисторе;

       получение АЧХ усилителя на полевом транзисторе и определение полосы его пропускания.

Задание: