Часть 4. Исследование свойств каскадов оэ, ок, об при их работе в условиях отсутствия заземлённости общего провода.

Общие сведения.

Часто активный прибор умышленно или помимо желания разработчика оказывается включённым в схему каскада таким образом, что в цепях заземления общих для входных и выходных электродов схем рис.4 оказывается включённым дополнительный двухполюсник Z_f , как это показано на рис.6.

Схемы рис.6 можно рассматривать как разновидности соответствующих схем рис.4, отличающиеся от последних наличием дополнительного сопротивления Z_f ≠ 0. Включение в схему сопротивления Z_f вызывает появление внутрикаскадной отрицательной обратной связи, которая понижает входную проводимость, повышает устойчивость параметров каскада по отношению к воздействию дестабилизирующих факторов, но при этом снижает коэффициент усиления по напряжению. В дальнейшем параметры, соответствующие случаюZ_f ≠ 0, будем отмечать дополнительным индексом “f “. Относительное влияние отрицательной обратной связи характеризуют её глубиной – числом F, показывающим, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления схемы при введении в неё обратной связи.

Сопротивление Z_f удобно рассматривать как составную часть самого транзистора, имеющего другие изменённые значения Y-параметров – значения Y_f . Эти значения для всех схем включения транзистора в каскад определяются соотношениями:

где ∆_ОЭ = ∆_ОК = ∆_ОБ = Y₁₁ Y₂₂ - Y₁₂ Y₂₁;

F_ОЭ = 1 + (Y₁₁ + Y₂₁ + Y₁₂ + Y₂₂) Z_f ≈ 1 + (Y₁₁ + Y₂₁) Z_f ;

F_ОБ = 1 + Y₁₁ Z_f ; F_ОК = 1 + Y₂₂ Z_f .

В условиях, когда Z_f ≠ 0 (F > 1) происходит стабилизация параметров каскада, уменьшение чувствительности этих параметров к проявлению дестабилизирующих факторов. Например, чувствительность S^Kf_Ik0 коэффициента усиления K_f в схеме рис.6,а к изменениям ∆ I_К (∆ I_К ≈ ∆ I_Э) коллекторного тока I_К (I_К ≈ I_Э) меньше соответствующей чувствительности S^K_Ik0 в схеме рис.4,а в F раз. Значение чувствительности параметра K к дестабилизирующему фактору ∆ I_К определяется соотношением

, (14)

где I_К0 = √(I_К01 I_К02) - усреднённое значение тока I_К на интервале его изменения от I_К01 до I_К02 ; K = √( K1 K2) – усреднённое значение коэффициента усиления на интервале, соответствующем изменениям тока I_К на ∆ I_К0 = I_К02 - I_К01.

Порядок выполнения четвёртой части работы.

1. Исследуйте влияние на параметры транзистора дополнительного ре­зистора R_f, включённого в его эмиттерную цепь. Для этого при I_Э0 ≈ 5мА (U_R8 ≈ 2.5В, S3 – 3) и R_f = 11 Ом (S5 – 2) определите значение параметров g_21f, g_11f, g_22f. Измерение указанных параметров осуществите по методикам, аналогич­ным методикам пп.1…3 (порядок выполнения второй части работы). Сопоставьте относительные различия соответствующих параметров, изме­ренных в дан­ном пункте и пп.1…3 (порядок выполнения второй части работы) и между собой, а также с глубиной обрат­ной связи, вычисленной по формуле F = 1 + g₂₁R14.

2. Исследуйте стабилизирующее влияние на коэффициент усиления каскада ОЭ дополнительного резистора, включённого в эмиттерную цепь транзистора. Для этого при отсутствии (S5 – 1) и наличии (S5 – 2) обратной связи измерьте относительные изменения ΔК ∕ К и ΔК_f ∕ К_f коэффициентов К и К_f, вызванные изменениями эмиттерного тока от I_Э01, соответствующего S3 – 3, до I_Э02, соответствующего S3 – 4 . Определите значения токов I_Э01 и I_Э02 по падению постоянного напряжения на R8, считая, что I_Э = U_R8 ∕ R8. Измере­ния значений К и К_f выполните при U_ВХ = 10 мВ и сопротивлении нагрузки 100 Ом (S4 – 1) при R_С ≈ 10 Ом (S2 – 1).

По результатам измерений и вычислений определите по формуле (14) и сравните между собой значения чувствительностей S^K_Ik0 и S^Kf_Ik0 . Сопоставьте результат сравнения со значением глубины обратной связи F, считая, что

F = K ∕ K_f .

Контрольные вопросы.

1. Объясните. почему в схемах рис.2 и 3 в условиях когда U_КЭ >U_нач , зна­чение I_К0 практически не зависит от R_К , но изменяется пропорционально изменениям R8 ?

2. Почему для обеспечения малой зависимости I_К0 от свойств конкретного транзистора необходимо в схеме рис.2 выполнить условие I_дел>> I_Б0 ?

3. Выделите общие и различающиеся принципы, используемые при орга­низации схем ОЭ, ОБ, ОК, предназначенных для усиления переменных сигналов.

4. На схеме рис.3 укажите положения переключателей, соответствующие следующим схемам включения транзистора в каскад ОЭ, ОЭ_f , ОБ, ОБ_f , ОК, ОК_f .

5. Какие допущения используют при составлении эквивалентных схем каскада для области средних частот?

6. Что такое низкочастотные Y – параметры транзистора?

7. Какова методика измерения параметров g₂₁, g₁₁ и g₂₂? Почему в схемах ОЭ и ОБ измерение g₂₂ проводится с помощью резистора 1кОм, а в схеме ОК – 30 Ом?

8. Почему при больших значениях I_К0 (S3 – 7) измеренные значения g-па­раметров существенно отличаются от вычисленных по формулам (10), (11) и (12)?

9. Каково соотношение между g_ВХ схемы ОБ и g_ВЫХ схемы ОК?

10. Почему схема ОК с S5 – 6 обладает повышенным входным сопротив­лением по сравнению со схемой ОК с S5 – 8 (см. рис.3)?

11. Дайте сравнительный анализ схем ОЭ, ОБ и ОК по параметрам g_ВХ и g_ВЫХ.

12. Дайте сравнительный анализ схем ОЭ И ОЭ_f по параметрам K, K_I и K_P.

13. Каково назначение резистора R14 в лабораторной установке и как от­ражается его включение в схему на свойствах каскада ОЭ?

14. Каково назначение резистора R3 и как отражается его включение в схему на свойствах каскада ОБ?

15. Каково назначение резистора С3 и как отразится его исключение из схемы на свойствах каскада ОК?

Для нового макета.

Порядок выполнения первой части работы.

В ходе выполнения лабораторных исследований определите зависи­мость разности потенциалов U_БЭ от тока I_Э, при этом сопоставьте ход данной зависи­мости с аналогичной, описываемой соотношением (1) для случая m=1 и I_ОЭ, вычисленного по формуле

I_ОЭ= I_Э exp(-U_БЭ ∕φ_T), (3)

где I_Э, U_БЭ – значения тока и напряжения, отвечающие начальному участку из­меренной зависимости U_БЭ=f(I_К), когда m=1 (ток I_Э = 1мА). В ходе исследований также оцените ход зависимости m от тока I_Э0, при этом текущие значения m при раз­личных I_Э и U_БЭ вычислите по формуле

m= U_БЭ ∕ ( φ_T ln(I_Э ∕ I_ОЭ)), где I_Э = U_Э0 ∕ R8. (4)

1. Исследуйте зависимость постоянных напряжений на выводах транзистора от тока эмиттера I_Э, для этого при ряде значений I_Э0 (1мА, 2мА, 3мА, 5мА, 7мА и 11мА) измерьте значения потенциалов U_Б0, U_К0, U_Э0. Регулировка эмиттерного тока осущест­вляется изме­нением напряжения смещения на базе транзистора (ручка Е_СМ). Измерения осуществите при S3 – 4, S2 – 1, S4 – 2 ( для установки тока 11 мА использовать S4 – 1). Положение остальных переключателей про­извольное.

2. По результатам измерений п.1 вычислите значения тока I_Э = U_Э0 ∕ R8 (или I_Э = U_Э0 ∕ R6) и разности потенциалов U_БЭ= U_Б0 - U_Э0. Результаты изме­ре­ний представьте в виде графика зависимости U_БЭ=f(I_Э), а также графиков, соответствующих проведённым по формулам (1), (3) и (4) вычислениям.

Порядок выполнения второй части работы.

В ходе выполнения исследований по второй части для включения тран­зи­стора по схеме ОЭ (S5 – 1) необходимо определить значения параметров g₂₁, g₁₁ и g₂₂ и оценить характер их зависимости от I_Э0.

Измерение следует выполнить на частоте 1кГц при относительно не­больших значениях входного сигнала (U_ВХ ≈ 10мВ ). При измерениях необхо­димо иметь в виду, что Y – параметры транзистора соответствуют ре­жиму ко­роткого замыкания входных и выходных зажимов транзистора. Поэтому измерение параметров необходимо осуществлять в условиях, когда внешние по отношению к транзистору цепи имеют по возможности малое сопротив­ление. Для всех схем S2 – 1.

1. Исследуйте зависимость параметра g₂₁ транзистора схемы ОЭ от тока I_Э0. Для этого при низкоомном источнике синусоидального сигнала (S1 – 2) на частоте 1кГц в режиме, близком к режиму короткого замыкания на выходе (S3 – 1, S6 – 3), измерьте при ряде значений тока I_Э0 (1мА, 2мА, 3мА, 5мА, 7мА и 11мА) переменное напряжения U_ВЫХ на коллекторе транзистора. Перед началом измерений установите на входе U_Б = U_ВХ ≈ 10мВ. По результатам измерений вычислите значения пара­метра g₂₁ по формуле

g₂₁ = U_ВЫХ(1 ∕ R9 + 1 ∕ R19) ∕ U_ВХ. (10)

Результаты измерений и вычислений представьте в виде графиков за­висимостей g₂₁ = f(I_Э0), один из которых построен по результатам измерений, а другой – на основании вычислений по формуле (7) с подстановкой в неё значений I_Э и m, найденных при вычислениях по п.2 (порядок выполнения первой части работы).

2. Исследуйте зависимость входной проводимости g₁₁ от тока I_Э0. Из­мерения необходимо осуществлять при U_ВЫХ = 0 (S3 – 3), заземлённых по сигнальной составляющей, эмиттере (S5 – 1), коллекторе (S3 – 3) и при ис­точнике сигнала с выходным сопротивлением R1= 330 Ом (S1 – 3) и ЭДС

U_Г ≈ 20 - 30мВ.

В ходе измерений необходимо для ряда значений тока I_Э0 (1мА, 2мА, 3мА, 5мА, 7мА и 11мА) определить значения сигнального напряжения U_ВХ на базе транзистора (U_ВХ = U_Б). По результатам из­мерений U_ВХ и U_Г вычислите значе­ния параметров g₁₁ и h₂₁ по формулам:

g₁₁ = (U_Г - U_ВХ) ∕ R1 U_ВХ – g_дел ; h₂₁ = g₂₁ ∕ g₁₁, (11)

где g_дел – полная проводимость цепи делителя, шунтирующего вход транзи­стора на переменном токе. Проводимость g_дел = 1∕ R4.

Результаты измерений и вычислений представьте в виде графиков за­висимостей g₁₁ = f(I_Э0) и h₂₁ = f(I_Э0), где g₁₁, h₂₁, I_Э0 – значения, вычисленные в соответствии с (11) и (2).

3. Исследуйте зависимость выходной проводимости g₂₂ транзистора от положения исходной рабочей точки. Измерения необходимо осуществить при низкоомном источнике сигнала (S1 – 2) и высокоомной коллекторной на­грузке (S3 – 4).

В ходе измерений для ряда значений тока I_Э0 (1мА, 2мА, 3мА, 5мА, 7мА и 11мА) определите относительные изменения N = U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ сигналь­ного напряжения на выходе каскада (на коллекторе), возникающие при шун­тировании его выхода дополнительным сопротивлением

R18 = 910Ом (S6 - 2). В начале измерений рекомендуется установить уровень входного сигнала U_Б = U_ВХ ≈ 10мВ. Значения параметра g₂₂ вычислите по формуле

. (12)

С помощью соотношения (9), результатов вычислений g₂₂ по формуле (12) и полученных в п.1 (порядок выполнения первой части работы)данных о I_Э, U_КЭ оцените значение потенциала Эрли.

Порядок выполнения третьей части работы.

Измерения выполняются на частоте 1кГц.

1. Исследуйте свойства каскада ОЭ при R_Н = 910 Ом (S1 – 2 и 3, S4 – 2, S2 – 1, S5 – 1, S6 - 1), входном сигнале ≈10мВ и I_Э0 по заданию преподавателя. Измерение и вычисле­ние основных параметров К, g_ВХ, g_ВЫХ выполните в соответствии с формулами:

К = U_ВЫХ ∕ U_ВХ ; g_ВХ = (U_Г – U_Б) ∕ R1 U_Б ; g_ВЫХ = [R18(U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ -1)]^-1,

где R1 = 330 Ом (S1 – 3), U_ВХ = U_Б , U_ВЫХ = U_К; U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ – относительное уменьшение напряжения U_ВЫХ, возникающее при подключе­нии дополнитель­ной нагрузки R18 (S6 – 2). Измерение g_ВЫХ проводите при R_С ≈ 0 (S1 – 2) и

R_С ≈ 330 Ом (S1 – 3).

2. Исследуйте свойства каскада ОК при R_Н = 500 Ом (S2 – 1, S3 – 3,

S4 – 2, S5 – 3, S6 - 1), входном сигнале ≈50-100мВ и I_Э0 по заданию преподавателя. Измерение и вычисле­ние основных параметров К, g_ВХ, g_ВЫХ выполните в соответствии с формулами:

К = U_ВЫХ ∕ U_ВХ ; g_ВХ = (U_Г – U_ВХ) ∕ R1 U_ВХ ; g_ВЫХ = [R12 (U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ -1)]^-1,

где R1 = 330 Ом (S1 – 3), U_ВХ = U_Б, U_ВЫХ = U_Э; U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ – относительное уменьшение напряжения U_ВЫХ, возникающее при подключе­нии дополнитель­ной нагрузки R12 (S5 – 2).

Измерение g_ВХ проводите при двух вариантах построения каскада ОК (S2 – 1 и S2 – 2). При изменении положения переключателя S2 не забудьте отрегулировать ток I_Э0.

Измерение g_ВЫХ проводите при R_С ≈ 0 (S1 – 2) и R_С ≈ 20кОм (S1 – 4) при этом S2 – 2.

3. Исследуйте свойства каскада ОБ при R_Н = 910 Ом (S1 – 5, S2 – 1,

S4 – 2, S5 – 5, S6 - 1), входном сигнале ≈10мВ и I_Э0 по заданию преподавателя. Измерение и вычисле­ние основных па­раметров К, g_ВХ, g_ВЫХ выполните в соответствии с формулами:

К = U_ВЫХ ∕ U_ВХ ; g_ВХ = (U_Г – U_ВХ) ∕ R16 U_ВХ ; g_ВЫХ = [R18(U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ -1)]^-1,

где U_ВХ = U_Э, U_ВЫХ = U_К; U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ – относительное умень­шение напряже­ния U_ВЫХ, возникающее при подключении дополнительной нагрузки R18 (S6 – 2).

4. С помощью (13) и (5) и полученных в п.1…3 (порядок выполнения второй части работы) данных о параметрах транзистора при соответствую­щем токе I_Э0 вычислите значения параметров K, K_I, K_P, g_ВХ и g_ВЫХ. При расчётах полагайте, что g₁₂ = 0.

Порядок выполнения четвёртой части работы.

1. Исследуйте влияние на параметры транзистора дополнительного ре­зистора R_f, включённого в его эмиттерную цепь. Для этого при I_Э0 по заданию преподавателя и R_f = 24 Ом (S5 – 2) определите значение параметров g_21f, g_11f, g_22f. Измерение указанных параметров осуществите по методикам, аналогич­ным методикам пп.1…3 (порядок выполнения второй части работы). Сопоставьте относительные различия соответствующих параметров, изме­ренных в дан­ном пункте и пп.1…3 (порядок выполнения второй части работы) (порядок выполнения второй части работы) и между собой, а также с глубиной обрат­ной связи, вычисленной по формуле F = 1 + g₂₁R12.

2. Исследуйте стабилизирующее влияние на коэффициент усиления каскада ОЭ дополнительного резистора, включённого в эмиттерную цепь транзистора. Для этого при отсутствии (S5 – 1) и наличии (S5 – 2) обратной связи измерьте относительные изменения ΔК ∕ К и ΔК_f ∕ К_f коэффициентов К и К_f, вызванные изменениями эмиттерного тока от I_Э01 = 3мА до I_Э02 = 5мА. Измере­ния значений К и К_f выполните при U_ВХ = 10 мВ и сопротивлении нагрузки 91 Ом (S3 – 1) при R_С ≈ 0 Ом (S1 – 2). S2 – 1 и S4 – 2.

По результатам измерений и вычислений определите по формуле (14) и сравните между собой значения чувствительностей S^K_Ik0 и S^Kf_Ik0 . Сопоставьте результат сравнения со значением глубины обратной связи F, считая, что

F = K ∕ K_f .

14