ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНОМ И ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРАХ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

Цель работы: Создание библиотеки отечественных биполярных и полевых транзи­сторов в программе Electronics Workbench 5.0. Расчет режимов работы усилительных каскадов на транзисторах по постоянному току. Моделирование электронных схем усилительных каскадов с помощью программы Electronics Workbench 5.0. Сравнение расчетных параметров цепей с результатами моделирования.

Рис.1. Усилительный каскад с ОЭ с результатами моделирования

Для усилительного каскада класса А расчет статического режима заключается в выборе такого коллекторного тока I_K, при котором падение напряжения на коллекторной нагрузке R_K равно падению напряжения на транзисторе и было бы меньше амплитудного значения при максимальном входном сигнале. Это условие запишется следующим образом:

где – ток покоя эмиттера.

Поскольку ,

В таком случае выражение запишется в виде: откуда находим ток покоя

Рассмотрим базовую цепь транзистора. Напряжение на базе относительно общей шины (с учетом того, что )

,

где U_BE – напряжение база-эмиттер (для кремниевых транзисторов оно находится в пределах 0,7… 0,9 В).

Поскольку U_B равно падению напряжения на резисторе R2, ток через него равен

Через резистор R1 протекает сумма тока базы, равного I_K/ и тока I2. Падение напряжения на резисторах R1, R2 равно напряжению питания U_CC. Поэтому для базовой цепи:

Рис.2. Осциллограммы входного и выходного сигналов

Необходимо выбирать

При таких условиях будет справедливо соотношение для ориентировочного расчета сопротивлений резисторов схемы с ОЭ. R1/R2 = R_K/R_E.

Коэффициент усиления каскада с ОЭ рассчитывается по приближенной формуле

K_U = R_K/R_E (если R_E не зашунтировано емкостью). K_U = R_K/R_E=10/2=5. В рассматриваемом примере он равен 5. Как следует из показаний вольтметров, падение напряжения на коллекторном сопротивлении составляет 10-5,118 = 4,882 В. Эта величина соизмерима с падением напряжения на транзисторе 5,118 – 0,983 = 4,135 В, что соответствует условию обеспечения режима А. Это значит, что при амплитуде выходного напряжения 4,1 В на вход усилителя можно подать сигнал с амплитудой 4,1/5  0,8 В.

При рассмотрении осциллограмм входного и выходного сигналов (рис.2) можно оценить реальный коэффициент усиления усилительного каскада K_U=U_K/U_B=2,7/0,57=4,7.

Достоинством режима класса А является минимальные нелинейные искажения сигнала, недостатком – низкий КПД.

Усилительные каскады на полевых транзисторах, в отличие от биполярных управляются напряжением, приложенным к запертому p-n–переходу. Температурные изменения тока стока в полевых транзисторах во много раз меньше изменений коллекторного тока биполярных, поэтому температурная стабильность у них намного выше. Наибольшее распространение получили каскады с общим истоком (рис.3). Коэффициент усиления по напряжению такого каскада определяется следующей формулой:

где S – крутизна характеристики транзистора;

R_S – сопротивление стока;

R_И – сопротивление истока.

Рис.3. Усилительный каскад с ОИ

Реальный коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторе в схеме с ОИ определяется из соотношения амплитуд входных и выходных сигналов.

K_U=U_С/U_З=3,2/1,0 = 3,2.

Осциллограммы представлены на рис.4.

Рис.4. Осциллограммы входного и выходного сигналов

ЗАДАНИЕ Произвести расчёт и моделирование усилительных каскадов при замене транзисторов, имеющих более высокий коэффициент усиления.