Лабораторная работа № 7 Тема: Исследование характеристик усилительного каскада на полевом транзисторе

Цель работы: Изучение работы усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком (ОИ), определение его основных параметров.

Оборудование рабочего места: ПК, ПО

Краткие теоретические сведения

В работе исследуются усилительный каскад на полевом транзисторе ОИ (Рис. 1). Работа схемы исследуется методом моделирования в САПР Orcad

Подготовка к работе

1. Для схемы усилительного каскада ОИ (Рис. 1) и указанных параметров элементов (табл. 1) рассчитать:

- коэффициент усиления каскада в режиме холостого хода (K_{u хх});

- входное сопротивление каскада (R_вх);

- выходное сопротивление каскада (R_вых). Результаты занести в таблицу.

	Расчет	Эксперимент
Ku хх
Rвх
Rвых

Рис. 1. Схема усилительного каскада ОИ

Таблица 1

№	Uo, В	β, мкА/В2	Епит	Rb кОм	R2, кОм	Rc, кОм	Rн, Ом
1	-3	100	10	330	150	1	200
2	-3	100	12	910	200	2	150
3	-3	100	15	680	150	2	100
4	-2	100	10	300	51	2	100
5	-2	100	12	30	20	1	510
6	-2	100	15	910	430	2	150
7	-1	150	10	910	360	2	150
8	-1	150	12	910	430	2	150
9	-1	150	15	910	430	2	150
10	0	200	10	510	200	3	300
11	0	200	12	470	180	3	200
12	0	200	15	560	240	2	200
13	+1	100	10	360	390	2	200
14	+1	100	12	680	560	2	200
15	+1	100	15	470	390	2	200
16	+2	250	10	720	680	2	200
17	+2	250	12	470	420	2	200
18	+2	250	15	720	720	1	200

Порядок проведения работы

1. C помощью программы OrCAD при выборе проекта Аналого-цифровой, собрать схему согласно Рис.2.

Рис. 2. Рабочая схема каскада ОИ

• Открыть библиотеку элементов и из нее вытянуть на рабочее поле все требуемые элементы: резисторы - R, конденсаторы - С, источник питания - VDC, источник входного сигнала - VSIN, полевой МДП-транзистор с индуцированным каналом и-типа - MbreakN3, полевой МДП-транзистор со встроенным каналом и-типа - MbreakN3D, земля - EGND и элемент глобальных имен - Param.

• Расположить элементы на рабочем поле, а затем соединить их в соответствии с принципиальной схемой.

• Установить параметры резисторов и источника питания в соответствии с рабочим заданием (табл. 1). Емкости конденсаторов: Cp1=1u, Cp2=5u, CI=50u, CH=10n. Сопротивление нагрузки RH={RL}.

Внимание. Фигурные скобки обязательны.

• Для синусоидального источника входного сигнала установить: AC=1; DC=0; VOFF=0; VAMPL={Ampl}; FREQ=1k.

• Установить начальные значения для сопротивления нагрузки и амплитуды входного сигнала. Для этого щелкнуть по элементу PARAMETERS и в диалоговом окне установить: Name1=RL, Value1=1000k (это почти холостой ход), Name2=Ampl, Value2=100mv.

• Сохранить схему.

• Установить параметры транзистора. Для этого щелкнуть транзистор один раз (он окрасится). Войти в интерфейсный диалог: Edit - Model - Edit instance model (text)... В окне параметров модели транзисторов установить курсор в конце первой строки (после наименования типа транзистора Mbreakn NMOS) и ввести параметры:

- K_р = коэффициент пропорциональности,

- V_t0 = <пороговое напряжение U_o>,

где <коэффициент пропорциональности>, равный удвоенному значению приведенной крутизне транзистора β и <пороговое напряжение U_o> берутся из табл. 1 подготовки к работе. Затем корректно (через ОК) выйти из режима редактирования.

2. Определить режим схемы по постоянному току.

• Установить режим расчета схемы по постоянному току (Analysis - Setup -Bias Point Detail).

• Запустить схему на расчет (F11 или пиктограмма ).

• Определить потенциалы на стоке, затворе и истоке транзистора, нажав на пиктограмму . Рассчитать напряжения U_зи и U_cи.

• Для определения тока I_c нажать на пиктограмму .

Таблица 2

Uзи	Ic, мА	Ucи

3. Подав на вход синусоидальный сигнал с частотой f=1кГц и амплитудой U_т=100мВ, проверить работоспособность усилителя. Определить коэффициент усиления K_{u хх}. Сравнить с расчетом.

• Установить режим расчета схемы во временной области (Analysis - Setup - Transient...) с параметрами: PrintStep=20us; Final Time=5ms.

• Установить на входе и выходе схемы маркеры для вывода осциллограмм напряжения ( );

• Запустить программу расчета РSpice (F11 или пиктограмма ). В выплывшем окне программы Probe с помощью электронных курсоров определить амплитуду входного и выходного синусоидального сигнала. Курсоры доступны после нажатия на пиктограмму , и их можно перемещать левой или правой кнопками мыши. В окошке Probe Cursor первая колонка цифр - для оси абсцисс (X), вторая колонка для оси ординат (Y). Для более точных измерений любой элемент графика можно увеличить с помощью окна, доступного после команд View - Area. Размеры окна регулируются при нажатой левой кнопки мыши. Для возвращения в программу Schematics нужно закрыть окна программ Probe и PSpice. Коэффициент усиления каскада в режиме холостого хода (RL=1000К) определяется как отношение амплитуд неиска­женного выходного сигнала к входному ( K_u = U_вых/ U_вх).

4. Увеличивая амплитуду входного сигнала до 1В, наблюдать за изменением амплитуды и формы выходного сигнала. Это реализуется автоматизацией процесса. Для этого:

• Установить (Analysis - Setup) режим PARAMETRIC со следующими параметрами: Global Parameter; Linear; Name = AMPL; Start Value = 100mV; End Value = 1V; Increment = 100mV.

• Произвести расчет схемы (F11 или пиктограмма ) и получить набор графиков входного синусоидального напряжения и выходного сигнала. При запросе системы о выборе графика для вывода на экран "нажать" кнопку OK. В левой нижней части экрана расположены цветные идентификаторы для каждого из графиков. При активизации электронных курсоров перенос курсора с одного графика на другой производится щелчком кнопки мыши на выбранном идентификаторе. Определить как положительные, так и отрицательные максимальные значения выходного напряжения.

Таблица 3

Uвх, В	100	200	300	400	З00	б00	700	800	900	1000
U+вых, В
U-вых, В

• Результаты свести в таблицу и построить зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала U_вых(U_вх) - амплитудную характеристику. Определить динамический диапазон входного сигнала.

5. Снять частотную характеристику усилителя и определить коэффициент уси­ления усилителя в полосе пропускания К_{и хх} и граничные частоты усиления f_н и f_в.

Отключить режимы PARAMETRIC и TRANSIENT. Установить режим анализа по переменному току (AC Sweep) с параметрами: Decade, Pts/Decade = 101, Start Freq = 1, End Freq = 1Meg.

• Отключить маркеры входного и выходного сигнала, а к выходу схемы подключить специальный маркер для измерения коэффициента передачи в децибелах (Markers - Mark Advanced - Vdb). Так как U_вх=1В, то выходной сигнал равен коэффициенту усиления, который измеряется в децибелах: К(дБ)= 20lg(U_вых/U_вх).

• Запустить схему на расчет и получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя.

• С помощью электронных курсоров определить коэффициент усиления в области средних частот, а на уровне -3дБ определить граничные частоты.

Таблица 4

Kuхх	fн	fв

6. Определить входное сопротивление каскада R_вх, сравнить с расчетом.

• Для определения входного сопротивления необходимо нанести (Trace-Add) график зависимости входного сопротивления от частоты (остальные графики удалить). Это можно сделать, записав в командной строке окна Trace Expression выражение: V(V1:+)/I(V1), где V1 - условное обозначение источника входного сигнала.

• Определить входное сопротивление в области средних частот и сравнить с расчетом.

7. Меняя сопротивление нагрузки в диапазоне 0,1...1000 кОм, построить график K_u(R_н). Определить выходное сопротивление усилителя.

• Установить режим PARAMETRIC с параметрами: Name=RL; Decade; Start Value=100; End Value=10k; Pts/Decade=2.

• Запустить схему на расчет (F11 или пиктограмма ) и получить семейство амплитудно-частотных характеристик усилительного каскада.

• В области средних частот определить коэффициент усиления для всех значений нагрузки и затем построить график K_u(R_н).

• Выходное сопротивление усилителя можно определить с помощью графика K_u(R_н) по уровню 0,5K_{u хх}.

кОм	0	0,1	0,32	1,0	3,2	10
Ku, дБ
Кu

Содержание отчета

1. В отчете указать тему, цель работы

2. Описать основные этапы выполнения работы

3. Вычертить и заполнить все таблицы, указанные в работе

4. Записать выводы по проделанной работе

Контрольные вопросы

1. Как запустить схему на расчет?

2. Что показывает режим расчета схемы Bias Point?

3. Что показывает режим расчета схемы Transient?

4. Что показывает режим анализа схемы AC Sweep?

5. Какие курсоры использовались при определении коэффициента усиления в области средних частот и почему?