TX7Eh4KK48

При построении схемы источник сигнала вводится из меню Component >

Analog Primitives > Waveform Sources > Pulse Source. После фиксации источника на принципиальной схеме открывается окно задания его атрибутов. Вводимые параметры источника приведены в табл. 4.2.

Анализ схемы выполняется в режиме Transient. В окне задания параметров моделирования в строке Time range указывается длительность временного интервала по оси Х. Как правило, она равна двум периодам входного сигнала – 2 мс. Вывод результатов моделирования осуществляется в соответствии с данными табл. 4.3.

В режиме анализа токов и напряжений в схеме (Dynamic DC) исследовать влияние напряжений источников на режим работы транзистора.

В табл. 4.3 V(V1) – напряжение источника сигнала, Vce(Q1) − напряжение на выходе схемы, Ib(Q1) – ток базы транзистора Q1.

Для анализа влияния уровня сопротивления R2 на уровень выходного сигнала необходимо включить опцию Stepping (см. рис. 2.6). В строке Step what указывается имя варьируемого параметра R2. На следующих строках отмечаются пределы его изменения: From (от) 300 Ом, To (до) 1,5 кОм, Step 300 Ом (выбрать значение, достаточное для выполнения задания). В графе Step it следует подтвердить выбор варьируемой переменной включением

21

кнопки Yes. Ввод значений варьируемого параметра заканчивается нажатием кнопки ОК.

Построение графиков выполняется при нажатии кнопки Run в окне задания параметров на моделирование переходного процесса. На графиках выходного сигнала Vce(Q1) в интервале действия входного сигнала, открывающего транзистор, следует отметить значение напряжения КЭ для каждого из значений R2.

Задание

В схеме рис. 4.3 для каждого из заданных значений R2 по полученному значению Vce(Q1) определить падение напряжения на резисторе V (R 2) = V2 − Vce (Q1) и коллекторный ток транзистора Ic = I (R2) = V (R2)R2 . Полученные данные следует свести в табл. 4.4. Также следует занести в протокол полученное значение базового тока Ib.

Таблица 4.4

R2, Ом Vce(Q1), В V(R2), В Ic, А

На основе данных табл. 4.4 построить график выходной характеристики транзистора: Ic = f (Vce). По построенному графику следует определить минимально допустимое значение сопротивления резистора в коллекторной цепи, при котором транзистор находится в режиме насыщения.

Лабораторная работа 5.

ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ И С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

5.1.Три схемы включения транзистора

Взависимости от того, какой электрод транзистора является «общим» для входного и выходного сигналов, в простых усилительных каскадах различают три схемы включения транзистора: с общим коллектором (ОК), с общим эмиттером (ОЭ) и общей базой (ОБ). Напряжение на общем электроде остается постоянным при работе усилительного каскада.

Основными параметрами, определяющими области применения этих схем, служат входное сопротивление по переменному току Rвх~ и коэффици-

ент усиления по напряжению KV. В рамках выполнения работы значения ука-

22

занных величин будут рассчитаны теоретически и измерены по полученным графикам. Все данные следует отразить в протоколе.

5.2. Основные свойства каскада с ОК

На рис. 5.1, а представлена схема усилительного каскада с включением транзистора по схеме с ОК. Коллектор заземлен по сигналу через источник питания Ес, имеющий нулевое внутреннее сопротивление. Входной сигнал поступает на базу транзистора, а выходной снимается с эмиттера.

Процесс выбора рабочих напряжений в схеме в отсутствии поданных на ее вход сигналов называется установкой рабочей точки транзистора, или точки покоя. В схеме рис. 5.1, а напряжение на базе Vb в рабочей точке рассчитывается с помощью эквивалентной схемы, представленной на рис. 5.1, б, где Rвх – эквивалентное входное сопротивление по постоянному току транзистора с резистором Re в эмиттерной цепи. Для стабилизации напряжения Vb сопротивление R2, включенное параллельно Rвх, должно быть на порядок меньше Rвх. При этом

чей точке напряжение Vb составляло около половины значения напряжения источника Ес.

2k

Re1

Рис. 5.1

Эмиттерный ток транзистора рассчитывается из соотношения

Ie1 = VeRe (Vb − 0.65)Re .

23

5.2.1. Входное сопротивление каскада ОК по постоянному току

Величина Rвх определяется как отношение напряжения на базе транзистора к току базы в отсутствие сигнала:

Входное нагрузочное сопротивление постоянному току Rвх определяется суммой двух составляющих: входного сопротивления транзистора источнику тока rbe и пересчитанного ко входной цепи сопротивления Re.

При rbe << Re(β+1) можно принять Rвх ≈ Re(β + 1).

5.2.2. Входное сопротивление каскада с ОК по переменному току

Входное сопротивление каскада по переменному току Rвх~ определяется как отношение изменения напряжения на базе транзистора ∆Vb к изменению тока базы ∆Ib:

Входное сопротивление переменному току Rвх~ определяется суммой двух составляющих: входного сопротивления транзистора переменному току rbe~ и пересчитанного ко входной цепи нагрузочного сопротивления Re.

При rbe~<< Re(β + 1) можно принять Rвх~ ≈ Re(β + 1).

5.2.3. Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК

Коэффициент усиления по напряжению определяется через отношение амплитуды выходного сигнала Ume к амплитуде входного сигнала Vmb:

24

При выполнении условия rbe~<< Re(β + 1) коэффициент усиления KV можно принять равным единице: KV ≈ 1.

Выходной сигнал каскада с ОК практически равен входному сигналу, поэтому каскад с ОК называют «эмиттерным повторителем» – ЭП. Вследствие высокого входного сопротивления переменному току ЭП используются для согласования сопротивлений источника сигнала и нагрузки.

5.2.4.Анализ переходных процессов в схеме ЭП

1.Построить схему ЭП в соответствии с рис. 5.1, а. Источник входного сигнала выбрать по команде Component > Analog primitives > Waveform Sources > V1. В строке Value задать синусоидальный сигнал с нулевой постоянной составляющей V0 = 0, амплитудой Va = 1 В и частотой f0 = 1 МГц.

Командой Component > Analog primitives > Active Devices > NPN за-

дать модель транзистора Q1, например 2N3904. Для источника постоянного напряжения Ec в строке Value указать заданное значение, например 5 В.

2.Выбрать динамический режим расчета по постоянному току (Analysis

>Dynamic DC). Для отображения токов в ветвях схемы следует воспользо-

ваться пиктограммой . Определить токи Ic и Ib и рассчитать коэффициент усиления транзистора β = Ic/Ib. Рассчитать входное сопротивление ЭП по переменному току Rвх~ и коэффициент усиления по напряжению KV с помощью выражений (5.2) и (5.3) соответственно.

3. Провести анализ переходных процессов в ЭП. С помощью команды Analysis > Transient открыть окно задания параметров моделирования. В строке Time range указать длительность временного интервала по оси Х, равную двум периодам входного сигнала − 2 мкс.

Заполнить таблицу задания параметров, необходимых при выводе результатов моделирования, воспользовавшись приведенным в табл. 5.1 примером.

Таблица 5.1

25

В приведенной таблице V (V1) – напряжение источника входного сигнала, Vb (Q1) – напряжение на базе транзистора, Ve (Q1) – напряжение на эмиттере транзистора или на выходе ЭП.

По полученным в результате моделирования графикам определить амплитуду сигнала на базе транзистора Vmb = (Vb max – Vb min)/2. Рассчитать коэффициент усиления напряжения ЭП:

KV = Vme .

Vmb

Сравнить полученную в результате моделирования величину KV с расчетной величиной, полученной по выражению (5.3).

5.3.Основные свойства каскадов с общим эмиттером

5.3.1.Входное сопротивление схемы каскада с ОЭ

На рис. 5.2 представлен вариант усилительного каскада с включением транзистора по схеме с ОЭ. В этой схеме в отличие от схемы, изображенной на рис. 5.1, параллельно резистору Re включена емкость Се, а выходной сигнал снимается с сопротивления Rc в коллекторной цепи. Емкость Се выбирается такой, чтобы ее сопротивление на рабочих частотах было много меньше динамического сопротивления перехода БЭ транзистора rbe~. При этом напряжение на эмиттере можно считать постоянным, ∆Vbe ≈ 0, а эмиттерный переход – заземленным по переменному току.

Входной сигнал, действующий на базе и равный ∆Vb = ∆Vbe + ∆Ve, практически весь прикладывается к переходу БЭ транзистора, ∆Vb ≈ ∆Vbe.

Рис. 5.2

26

При расчете элементов схемы усилителя необходимо обеспечить работу транзистора в линейном режиме, т. е. в пологой области выходной характеристики. Переход БК транзистора должен быть закрыт (Vb < Vc).

Входное сопротивление каскада постоянному току, напряжение на базе транзистора в рабочей точке и эмиттерный ток транзистора Ie определяются так же, как и в схеме ЭП.

Напряжение на коллекторе Vc определяется с помощью выражения Vc = Ec − Ic Rc = Ec − Ie Rc , поскольку в линейной области выходной характеристики можно принять Ic = Ie.

5.3.2. Входное сопротивление каскада с ОЭ переменному току

Входное сопротивление каскада с ОЭ переменному току Rвх~ рассчитывается следующим образом:

Rвх~ = Vb Ib = ( Vbe + Ve ) Ib .

С учетом соотношения ∆Ve ≈ 0, справедливого для схемы с ОЭ,

Rвх~ = Vb Ib = rbe~ .

5.3.3. Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОЭ

Модуль коэффициента усиления по напряжению KV определяется как отношение амплитуды выходного сигнала Vmc к амплитуде входного сигнала Vmb. В частотной области, где не учитываются частотные свойства транзистора и справедливо соотношение Vmb = Vmbe,

или: KV = SRc, где S – крутизна передаточной характеристики транзистора. Очевидно, что KV > 1 и зависит от коэффициента β и соотношения Rc и rbe~.

5.3.4.Анализ переходных процессов в схеме усилителя с ОЭ

1.При построении графического изображения схемы усилителя с ОЭ (см. рис. 5.2) источник синусоидального напряжения задать аналогично схеме с ОК. Параметры сигнала: постоянная составляющая синусоидального сигнала V0 = 0, амплитудная – Va = 10 мВ, частота f0 = 1 МГц.

В качестве модели транзистора Q2 следует указать 2N3904. Для источника постоянного напряжения Ес в строке Value указать 5 В.

27

2. Выбрать команду Analysis > Dynamic DC. Для отображения напряжений в узлах схемы воспользоваться пиктограммой . Рассчитать токи в ветвях схемы: I1, I2, Ie, Ic, Ib и напряжение Vbe.

3. Провести анализ переходных процессов в усилителе. С помощью команды Analysis > Transient открыть диалоговое окно задания параметров моделирования. В строке Time range указать длительность временного интервала по оси Х, равную двум периодах входного сигнала – 2 мкс. Заполнить таблицу задания параметров для вывода результатов моделирования схемы с ОЭ в соответствии с данными табл. 5.2.

Таблица 5.2

Провести многовариантный анализ при вариации значений коллекторного сопротивления Rc2. Для этого в окне задания параметров на моделирование нажатием кнопки Stepping открыть окно для задания варьируемого параметра. Указать имя варьируемого параметра – Rc2, его начальное значение 300, конечное значение 1200 и шаг 150. В поле Step it для подтверждения задания параметрического анализа поставить метку Yes.

По результатам моделирования (пользуясь семейством полученных кривых) следует определить амплитуду входного сигнала при каждом значении нагрузочного сопротивления и рассчитать коэффициент усиления KV.

28

29