Лабораторная работа №3
Тема работы: Усилительный каскад на МОП-транзисторе, включенном по схеме с общим истоком.
Цель работы: Исследование характеристик усилительного каскада на МОП-транзисторе.
Теоретические сведения и методические указания.
Схема усилителя на МОП-транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, показана на рис. 3.1.
Резистор Rг учитывает сопротивление источника сигнала. Конденсаторы C1 и C2 являются разделительными. Резисторы R1 и R2 образуют делитель, определяющий напряжение затвора. Резистор Rи является цепью отрицательной обратной связи.
Рис. 3.1 Схема усилителя на МОП-транзисторе, включенном по схеме с общим истоком.
Расчет постоянных составляющих токов
и напряжений рассмотрим на примере. В
схеме усилителя на рис. 3.1
Параметры транзистора:
Заменяя конденсаторы разрывом, получим
расчетную схему, показанную на рис. 3.2.
Р
ис.
3.2. Расчетная схема усилителя на
МОП-транзисторе.
Решение. Поскольку ток затвора МОП-транзистора равен нулю, напряжение затвора Uз найдем как напряжение на выходе делителя напряжения R1–R2:
Примем, что транзистор находится в режиме насыщения. Если в результате расчетов наши предположения не подтвердятся, мы проведем повторный анализ для триодного режима.
Из уравнения для контура, включающего , R2 и Rи цепь затвор – исток, получим
Ток стока
Подставляя числовые значения, получим квадратное уравнение
Корни этого уравнения
Первый корень не имеет физического
смысла, так как в этом случае напряжение
стока относительно земли
меньше напряжения затвора. Следовательно,
решением является второй корень, т. е.
Напряжение истока
Напряжение затвор-исток
Напряжение стока
Напряжение стока
следовательно, транзистор работает в
режиме насыщения, как мы и предполагали.
Определим коэффициент усиления переменной составляющей напряжения, воспользовавшись моделью для режима малого сигнала. Исключая постоянный источник и замыкая накоротко зажимы конденсаторов, получаем эквивалентную схему усилителя для малого сигнала (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Эквивалентная схема усилителя для малого сигнала.
Передаточная проводимость
определяется соотношением
.
Сопротивление:
Напряжение затвор-исток:
Сопротивление R12
составляет несколько МОм и значительно
больше сопротивления источника сигнала.
Поэтому можно считать, что
Выходное напряжение:
Коэффициент усиления переменной составляющей напряжения:
Биполярные транзисторы имеют большее
значение передаточной проводимости
чем полевые транзисторы. Поэтому
усилитель на МОП-транзисторе дает
меньшее значение
чем усилитель на биполярном транзисторе.
Предварительный расчет.
Схемы усилителей показаны на рис. 3.4 и 3.5. Нечетным вариантам соответствует схема на рис. 3.4, четным – схема на рис. 3.5. Значения элементов, соответствующие номеру варианта, приведены в табл. 3.1.
Рассчитать постоянные составляющие токов и напряжений МОП-транзистора.
Используя данные, полученные в п. 2, рассчитать параметры схемы замещения транзистора для режима малого сигнала.
Определить максимальный размах напряжения на выходе усилителя.
Результаты расчета записать в отчет.
Рис 3.4. Схема усилителя для нечётных вариантов.
Рис 3.5. Схема усилителя для чётных вариантов.
Таблица 3.1.
-
Вариант
R1,
МОм
R2,
МОм
Rс,
кОм
Rи,'
кОм
Ec,
B
Еи ,
В
1
10
5
7.5
3
15
0
2
-
2
6.2
6.2
10
10
3
4.7
2.1
4.7
2
12
0
4
-
4.7
6.2
4.3
10
10
5
8
7
10
8
15
0
6
-
5
4.7
4.7
12
12
7
4
3.5
10
10
15
0
8
-
4.8
6.2
4.7
15
15
9
5
2.5
7.5
3
15
0
10
-
4.7
10
6
12
12
11
4.0
1.5
4.2
0.63
15
0
12
-
3
6.2
4.7
15
15
13
8
7
10
8
12
0
14
-
1.5
6.2
6.2
15
15
15
5
2.5
4.7
2
12
0
16
-
2
6.2
6.2
12
12
17
10
5
6.2
2.9
12
0
18
-
3
6.2
4.7
12
12
19
4
3.5
10
8
15
0
20
-
1.5
6.2
6.2
15
15
Порядок выполнения работы
Собрать схему усилителя (рис. 3.6 или 3.7, в зависимости от номера варианта). Установить значения элементов, соответствующие варианту (табл. 3.1).
Рис. 3.6
Рис. 3.7
Включить на входе схемы источник синусоидального напряжения VSIN из библиотеки SOURCE.slb. Установить атрибуты источника: DC = 0, АC = 1V, VOFF = 0, VAMPL = {VIN}, FREQ = 1k (рис. 3.8). Скопировать моделируемую цепь в отчет.
Рис. 3.8
Определить и записать в отчет постоянные составляющие токов и напряжений транзистора. Для этого выбрать в меню пункт Analysis/Display results on schematics/Enable. Сравнить их с результатами предварительного расчета.
В режиме расчета переходных процессов Transient получить и скопировать в отчет графики входного и выходного напряжений. По результатам моделирования определить коэффициент усиления схемы.
Построить передаточную (амплитудную) характеристику усилителя
на частоте 1 кГц, изменяя входное
напряжение от нулевого значения до
величины, при которой наблюдается
заметное искажение формы выходного
сигнала. Обратить внимание на характер
искажений. По передаточной характеристике
определить динамический диапазон
работы усилителя.
Скопировать в отчет временные диаграммы входного и выходного напряжений, соответствующие нелинейному участку передаточной характеристики.
С помощью режима расчета частотных характеристик AC Sweep построить и скопировать в отчет амплитудно-частотную характеристику усилителя в диапазоне частот 10 Гц – 10 МГц. Определить верхнюю и нижнюю частоты среза АЧХ.
Контрольные вопросы и задания
Опишите принцип действия и характеристики простейших усилителей на МОП транзисторах.
Чем вызваны искажения формы выходного сигнала при больших амплитудах uвх?
Какую роль выполняют конденсаторы С1 и С2 в схеме усилителя?
Для чего служит конденсатор Си?
Как влияют емкости разделительных конденсаторов на частоты среза АЧХ?
От каких параметров зависит коэффициент усиления схемы?
Как влияет сопротивление нагрузки на коэффициент усиления?