4. Указания к обработке результатов наблюдений

4.1. Уметь объяснить суть физических величин, входящих в формулы, суть выполненных вычислений с помощью аналитических выражений, а также соответствие им физических процессов в элементах и схемах.

4.2. Объяснить связь полученных графиков и содержания исследуемых электрических компонентов и схем.

4.3. Знать параметры исследуемых электронных компонентов и функциональных узлов, уметь объяснить их работу.

25

Ёмкостное сопротивление этих конденсаторов на частоте сигнала должно стремиться к нулю.

Рис. 2.2.1.1. Усилительный каскад по схеме ОЭ

7) Для выполнения п. 1.2 задания необходимо иметь справочные данные на БПТ КТ315А и:

а) определить коэффициент усиления по напряжению

; (2.2.1.1.)

б) определить входное сопротивление усилителя R_вх по формулам

38

означает, что этот электрод является общим для входного и выходного сигнала как минимум по переменному току.

2) Резисторы R₁ и R₂ в цепи базы участвуют в задании режима по постоянному току, фиксируя потенциал на базе относительно общего провода;

3) резистор R_э выполняет две функции: участвует в задании режима по постоянному току, фиксируя потенциал на эмиттере при протекании через него токов базы I_б и коллектора I_к; является источником сигнала отрицательной последовательной обратной связи (ООС) по току, который производит термостабилизацию положения рабочей точки (РТ), удерживая постоянным напряжение между базой и эмиттером u_бэ;

4) резистор R_к также выполняет две функции: участвует в задании режима по постоянному току, фиксируя потенциал на коллекторе при протекании через него коллекторного тока, а также является собственной нагрузкой БПТ;

5) конденсатор С_э устраняет действие ООС на переменном токе (возможное из-за наличия резистора R_э) за счёт протекания именно через конденсатор переменной составляющей эмиттерного тока; ёмкостное сопротиление конденсатора на частоте усиливаемого сигнала должно стремиться к нулю;

6

37

) конденсаторы С_р1 и C_р2 сохраняют режим по постоянному току, установленный для БПТ, разделяя потенциалы: базы и источника входного сигнала, коллектора и внешней нагрузки R_н.

Контрольные вопросы

1. Опишите основное назначение диодов и приведите основные категории их классификации.

2. Приведите качественное и количественное отличие токов через диод на прямой обратной ветви ВАХ.

3. Изложите способ использования участка зенеровского пробоя ВАХ диода в стабилизаторе напряжения.

4. Поясните понятие “дифференциальное сопротивление” диода..

5. В чём заключается принцип работы ПСН?

6. Назовите основные узлы нелинейного ПрЧ.

7. Почему в нелинейном ПрЧ используется диод в качестве элемента, который должен иметь нелинейную амплитудную характеристику?

Лабораторная работа 3. Усилители.

  Цель работы: изучить содержание и работу указанных в п.1 функциональных узлов, научиться задавать режим по постоянному току, уметь проверять работу каскада на переменном токе и определять основные параметры.

1. Задание к работе

1

26

.1. При домашней подготовке изучить работу усилительных каскадов по схеме с общим эмиттером (ОЭ)

[1, с. 91-99], с общим истоком (ОИ) [1, с. 104-109], инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя (ОУ) [1, с. 156-157] и разобрать работу схем на рис. 1-3.

1.2. Рассчитать основные параметры усилителей: К_УС, R_ВХ, R_ВЫХ.

1.3. В ППП MCAP провести анализ схем усилителей на постоянном токе (кроме усилителя на ОУ), установить требуемый режим транзисторов по постоянному току.

1.4. В ППП MCAP провести анализ усилителей во временной области при воздействии входного сигнала, оценить сигналы на электродах транзисторов, определить основные параметры каскадов и сравнить их с расчётными.

2. Указания к домашней подготовке

2.1. Для выполнения п. 1.1 задания необходимо иметь представление о физических процессах в биполярном (БПТ) и полевом (ПТ) транзисторах [1, с. 42-55; 64-73] и о моделях БПТ, ПТ и ОУ в ППП MCAP [2, с. 141-145; 154-155; 148-153; 155-157].

2.1.1. Описание характеристик БПТ в модели МСАР-5 выполняется согласно модели Гуммеля-Пуна, автоматически упрощаемой до модели Эберса-Молла (если опустить некоторые параметры). Для упрощённой модели система уравнений имеет вид :

27

Продолжение табл. 2.1.6.1.

VNS	Максимальное выходное отрицательное напряжение	-13 (В)
CMRR	Коэффициент подавления синфазного сигнала	105
GBW	Площадь усиления (GBW= AF1=A1F2)	106
PM	Запас по фазе на частоте единичного усиления	60 (град)
IOSC	Выходной ток короткого замыкания	0,02 (А)

2.2. Для выполнения п. 1.2 задания необходимо ознакомиться с работой и основными выражениями для расчёта усилительных каскадов (см. п. 1.1).

2.2.1. Итогом выполнения п. 1.1 задания должно быть понимание функций элементов схемы усилителя:

1) биполярный транзистор (БПТ) - активный элемент, эмиттерно-базовый переход которого должен быть смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторно-базовый - в обратном направлении (закрыт). Для выполнения своих усилительных функций БПТ должен находиться в конкретном режиме по постоянному току - через переходы должны протекать требуемые токи, между электродами должны быть установлены требуемые напряжения (обычно из справочных данных). Термин “общий электрод” активного элемента

36

Таблица 2.1.6.1.

Параметры модели операционного усилителя

Имя параметра	Параметр	Значение по умолчанию
LEVEL	Уровень модели (1, 2, 3)	1
TYPE	Тип входных транзисторов: 1 - npn, 2 -pnp, 3 -JFET	1
C	Ёмкость коррекции АЧХ ОУ	3010-12(Ф)
А	Коэффициент усиления на постоянном токе	2105
ROUTAC	Выходное сопротивление на переменном токе	75 (Ом)
ROUTDC	Выходное сопротивление на постоянном токе	125 (Ом)
VOFF	Напряжение смещения нуля	0,001 (В)
IOFF	Разность входных токов (смещения нуля)	10-9 (А)
SRP	Максимальная скорость нарастания выходного напряжения	5105 (В/С)
SRN	Максимальная скорость спада выходного напряжения	5105 (В)
IBIAS	Входной ток (смещения нуля)	10-7 (А)
VCC	Напряжение положительного питания	15 (В)
VEE	Напряжение отрицательного питания	-15 (В)
VPS	Максимальное выходное положительное напряжение	13 (В)

35

(2.1.1.1.)

Здесь I_эк - ток эмиттера; u_бэ - напряжение на переходе эмиттер-база; _т = kT/q_e = 26 мВ при Т=300 К - тепловой потенциал p-n перехода; k = = 1,3810^-23 Дж/К - постоянная Больцмана; q_e = 1,610^-19 Кл. Ток насыщения (обратный) I_s определяется при конкретной температуре по выражению

, (2.1.1.2.)

где I₀ - ток насыщения (обратный) при температуре 300 К; W_з - ширина запретной зоны (для кремния - 1,11 эВ, германия 0,67 эВ и диодов за барьером Шоттки - 0,69 эВ); U_c - максимальное напряжение на р-n-переходе (диоде) на прямой ветви (при минимальном дифференциальном сопротивлении r_f); I_c - ток перехода (диода) при напряжении на нём U_c. Величины U_c­ и I_c связаны следующими выражениями

U_c = _т  ln[_т / (r_f I_s)] ; (2.1.1.3.)

I_c = I_s[exp(U_c/_т) - 1]. (2.1.1.4.)

U

28

_A- это напряжение Эрли, отражающее эффект изменения толщины базы при изменении напряжения на переходе. Ток коллектораI_Kопределяется уравнениями:

(2.1.1.5.)

где u_БК- напряжение на переходе коллектор-база.

Ток базы I_ББПТ определяется в модели выражением:I_e=I_KK-I_ЭК. Эффект управления и усиления транзистора отражён выражением:I_БЭ=I_KK/B(здесь В - статический коэффициент усиления тока). Усиление в инверсном включении определяет выражение:I_БК=I_ЭК/B_ИНВ. Барьерные ёмкости коллекторного и эмиттерного переходов описываются системами уравнений:

(2.1.1.6.)

(2.1.1.7)

Здесь U_ПКОЛ- контактная разность потенциалов перехода "коллектор-база"; С_БК0, С_БЭ0- барьерная ёмкость переходов при нулевом напряжении;m_К,m_Э- коэффициенты градиента (m_К0,33;m_Э0,5).

Д

29

иффузионные ёмкости переходов определяются выражениями:

скорость нарастания выходного напряжения, значения выходного сопротивления на постоянном и переменном токе, ток и напряжение смещения, запас по фазе на частоте единичного усиления, площадь усиления, коэффициент подавления синфазного сигнала, реальные значения диапазона выходного напряжения и тока, возможен выбор типа входного дифференциального каскада.

Передаточная функция (коэффициент передачи) в операторной форме в модели имеет вид:

, (2.1.5.1.)

где ₁= 1/2F₁;F₁- частота первого полюса;₂= 1/2F₂;F₂- частота второго полюса; А - коэффициент усиления на постоянном токе.

Площадь усиления ОУ определяется: GBW= AF₁=A₁F₂, где А₁- коэффициент усиления, равный единице (А₁= 1); частотаF2 равна частоте единичного усиления.

2.1.6. Список основных параметров математической модели ОУ приведён в табл. 2.1.6.1.

34

Таблица 2.1.4.1.

Параметры модели полевого транзистора

Имя параметра	Параметр	Значение по умолчанию
VT	Пороговое напряжение (напряжение отсечки uОТС). Знак "-" говорит о запирании канала, но не о полярности напряжения.	-2 (В)
BETA	Коэффициент пропорциональности ()	10-4 (А/В2)
IS	Ток насыщения p-n-перехода затвор-канал (обратный токIS)	10-14 (А)
RD	Объёмное сопротивление области стока	0 (Ом)
RS	Объёмное сопротивление области истока	0 (Ом)
CGD	Ёмкость перехода затвор-сток при нулевом смещении	0 (Ф)
CGS	Ёмкость перехода затвор-исток при нулевом смещении	0 (Ф)
PB	Контактная разность потенциалов p-n-перехода затвора	1 (В)

2.1.5. При описании характеристик ОУ в МСАР-5 можно использовать модели трёх уровней. Для полноценного моделирования применяют третью модель (LEVEL 3). Это нелинейная модель, в которой учитываются ограничения на

33

(2.1.1.8)

где _ОБР,_ПР- среднее время пролёта (задержки) в инверсном (обратном) и нормальном режимах. Полная ёмкость переходов равна:

С_{БЭ ПОЛ}= С_БЭ+ С_{БЭ ДИФ}; С_{БК ПОЛ}= С_БК+ С_{БК ДИФ}.

2.1.2. Список основных параметров математической модели БПТ приведён в табл. 2.1.2.1.

Таблица 2.1.2.1.

Параметры модели биполярного транзистора

Имя параметра	Параметр	Значение по умолчанию
IS	Ток насыщения при температуре 300 К (обратный ток)	10-16(А)
BF	Максимальный коэффициент усиления тока в нормальном режиме в схеме с ОЭ	100
RC	Объёмное сопротивление коллектора	0 (Ом)
RE	Объёмное сопротивление эмиттера	0 (Ом)
RB	Объёмное сопротивление базы (максимальное) при нулевом смещении перехода "база-эмиттер"	0 (Ом)
30 TF	Время переноса заряда через базу в нормальном режиме: 1== 1/2f	0 (С)

Продолжение табл. 2.1.2.1.

CJE	Ёмкость эмиттерного перехода при нулевом смещении	0 (ПФ)
VJE (PE)	Контактная разность потенциалов перехода "база-эмиттер"	0,75 (В)
MJE (ME)	Показатель степени в выражении для барьерной ёмкости эмиттерного перехода	0,5
CJC	Ёмкость коллекторного перехода при нулевом смещении	0 (Ф)
VJC (PC)	Контактная разность потенциалов перехода "база-коллектор"	0,75 (В)
VAF	Напряжение Эрли в нормальном режиме	 (В)
MJC(MC)	Показатель степени в выражении для барьерной ёмкости коллекторного перехода	0,33
EG	Ширина запрещённой зоны	1,11 (ЭВ)

2.1.3. Описание характеристик ПТ на основе р-n-перехода (JFET) в модели МСАР-5 выполняется согласно модели Шихмана-Ходжеса. Ток стокаI_Cв зависимости от напряженияu_ЗИописывается системой:

31

(2.1.3.1.)

В первом уравнении системы напряжения берутся со знаком, это режим отсечки. Второе уравнение характеризует режим насыщения - горизонтальный участок выходных ВАХ ПТ. Третье уравнение отражает линейный режим, когда напряжение u_СИне превышает 1-1,5 В и канал представляет собой сопротивление, линейно зависящее от напряженияu_ЗИ.

В данной работе величина u_ОТСв модели упрощённо может быть принята равной значению, взятому из справочника. Коэффициент пропорциональностив выражении дляI_Cопределяется по крутизне выходной ВАХ ПТ на линейном участке. Если известна крутизна ВАХ ПТ на линейном участке, то его примерное значение можно определить из выражения:

. (2.1.3.2)

2.1.4. Список основных параметров математической модели ПТ приведён в табл. 2.1.4.1.

32