ЭМПТ_Лаб4_03

Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Уральский Федеральный университет им. Б.Н. Ельцина «УПИ»

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

τ β = τ S .

rб + rб' э

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.02.2015

Размер:

467.75 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам, ШКОЛА Н.Ф.

Лабораторная работа №4 Тема:

"Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе"

Цель работы: изучить типовые схемы однокаскадных усилителей предварительного усиления на основе транзисторного каскада "общий эмиттер" (ОЭ), освоить методику расчета основных его показателей, режимных параметров в исходной рабочей точке, практически освоить методы измерения основных параметров и характеристик усилителя. Усвоить схемные методы улучшения его показателей введением обратных связей. Приобрести навыки по работе с реальными компонентами и схемами на их основе.

1. Общие сведения и расчетные формулы

1.1.Особенности каскадов предварительного усиления

Каскады предварительного усиления предназначены для усиления сигнала до уровня, достаточного для управления оконечным или предоконечным каскадом. В них амплитуды переменных токов и напряжений транзисторов в несколько раз меньше их стационарных значений в исходной рабочей точке. В результате параметры транзистора можно считать постоянными, а нелинейные искажения оказываются малыми. Для нахождения показателей этих каскадов широко применяют эквивалентные схемы, которыми по переменному току условно заменяют каскад или его часть (например, только входную или выходную цепи). Основой для построения эквивалентной схемы каскада является эквивалентная схема транзистора.

Рис.1.

На рис.1 изображена полная принципиальные схемы резисторного каскада на биполярном транзисторе VT1, включенного по схеме ОЭ. Статический режим транзистора задается схемой эмиттерной стабилизации с включением в эмиттерную цепь резистора R4. По переменной составляющей эмиттер в схеме соединен с общей шиной конденсатором С3, а входное напряжение подается на базу через разделительный конденсатор С1. Конденсатор С3 по переменному току шунтирует резистор R4 (т. е. устраняет его действие) и поэтому называется блокировочным. Выходное напряжение в схеме снимается с коллектора транзистора VT1 и через

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам, ШКОЛА Н.Ф.

разделительный конденсаторы С2 подается на внешнюю нагрузку. Все конденсаторы для переменного тока здесь представляют малые сопротивления, т.к. их емкости выбраны значительными.

Схема с ОЭ применяется часто, так как она обеспечивает усиление по напряжению, току и мощности. Каскад с ОЭ является инвертирующим, т.к. выходное напряжение сигнала находится в противофазе входному.

1.2. Полная малосигнальная эквивалентная схема замещения биполярного транзистора и ее параметры

Для анализа каскадов применяют упрощенные эквивалентные схемы входных и выходных цепей транзисторов, справедливые для не очень высоких частот. Кроме них применяют также полные (большей или меньшей сложности) эквивалентные схемы транзисторов. Для анализа усилительных свойств используют так называемые малосигнальные эквивалентные схемы, состоящие только из линейных элементов. Для биполярных транзисторов наиболее распространены два типа малосигнальных эквивалентных схем: Т- и П-образные.

На рис. 2 приведен один из вариантов гибридной П-образной эквивалентной схемы биполярного транзистора, иначе называемой схемой Джиаколетто.

Рис. 2.

Ее без всяких изменений применяют для всех трех включений транзистора. Здесь ток эквивалентного генератора управляется напряжением Uб'э, приложенным между внутренней точкой базы Б' и эмиттером, т. е. напряжением на эмиттерном переходе. Соответствующая (внутренняя) крутизна Si. Учет емкости Сб'э в

рассмотренных схемах позволяет считать величины α , β		и Si не комплексными.
Емкость коллекторного перехода Ск.
	Оценку молосигнальных параметров транзистора ОЭ проводят по следующим
выражениям:
	1.1.Входное сопротивление.
RВХ .ОЭ = rб + rб' э = rб + ( 1 + β )rэ = h11э ,		(1-1)
где:
rб - объемное сопротивление базы,
rб'э - сопротивление участка внутренняя база - эмиттер,
rэ- дифференциальное сопротивление эмиттера.
rb =	τ bk ,	(1-2)
	Ck
re =	ϕ T ,	(1-3)
	Iep
где ϕ T - температурный потенциал,
IЭР - ток эмиттера в рабочей точке.
ϕ T =	KT = ( 23,56 + 8,63 10− 2 t0 )mV ,	(1-4)
	q

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам,

ШКОЛА Н.Ф.

где to - температура перехода в

0C.

1.2.Крутизна прямой передаточной характеристики транзистора.

1.2.1. Внутренняя (физическая) крутизна транзистора.

Si =

I KP

(1-5)

ϕ T rэ

( 1

+ β )re

где IKP- ток коллектора в рабочей точке.

1.2.2. Крутизна транзистора в заданной рабочей точке.

S = g21e =

h21e =

(1-6)

rb + ( 1 + β

h11e

)re

1 +

rbe

1.2.3. Сквозная крутизна транзистора в заданной рабочей точке.

SГ =

(1-7)

rб +

RГ

rб' э

1.3. Внутреннее сопротивление и выходная проводимость транзистора в схеме ОЭ. 1.3.1.Внутреннее сопротивление транзистора ОЭ при управлении от идеального источника напряжения (внутреннее сопротивление источника RГ = 0):

rкэ =

(1-8)

1 + β

gi = g22 э =

h22 э

( h21б + S rб ) =

( 1 +

r ) =

(1-9)

rэ

h21э

rk *

( 1

)

β r

+ r

r * =

(1-10)

h22э

1+ β

IКР

где Ua - напряжение Эрли, зависящее от проводимости транзистора, r*k- сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ,

rk- сопротивление коллекторного перехода в схеме ОБ.

1.3.2.Внутренняя проводимость транзистора в каскаде ОЭ при управлении от источника напряжения с ненулевым внутренним сопротивлением( Rg ≠ 0 ).

giГ =	h22 э ( h21б + h21б	RГ + rб			) =	1	RГ + rб +	rэ		,
						r *	RГ + rб + ( 1 +	β	) r
	h21э	R	Г	+ h11э
						К			э

где RГ - внутреннее сопротивление источника сигнала.

1.4. Емкость коллекторного перехода транзистора в рабочей точке.

Cк = Cк0	Ukэ0 ,
	Ukэ

где Ck 0,Ukэ0 - справочные значения, Ck,Ukэ - значения в рабочей точке.

1.5. Характеристические частоты транзистора

1.5.1. Частота единичного усиления транзистора.

fT =	β	f ИЗМ	=			1	,

				2	π	τ T

fT = β fβ = S rб fS .

(1-11)

(1-12)

(1-13) (1-14)

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам, ШКОЛА Н.Ф.

1.5.2. Граничная частота коэффициента передачи тока базы:

fβ	=		fT	=	1	= ( 1 − α ) fT ,
		1	+ β		2 π τ β

τ β	= Cб' э rб' э = ( 1 + β ) τ T ,

где Cбэ - диффузионная емкость эмиттерного перехода. 1.5.3.Граничная частота коэффициента передачи тока эмиттера:

fα ≈ fT .

1.5.4. Граничная частота крутизны транзистора:

1.6.Диффузионная емкость эмиттерного перехода:

Cб' э =

I KP

τ β

≈

2π

б' э

1.7. Площадь усиления транзистора:

(1-15) (1-16)

(1-17)

(1-18)

(1-19)

(1-20)

ПVT =	1	=	1	.	(1-21)

	τ БК		СK rб

Необходимые для расчета справочные параметры транзистора приведены ниже в таблице.

Малосигнальные (справочные) параметры биполярного транзистора

Параметр	Обозначение
коэффициент передачи тока базы	β , h21э
модуль коэффициента передачи тока базы на частоте	β
измерения fИЗМ
постоянная цепи обратной связи транзистора	τ БК
емкость коллекторного перехода	CK

1.3. Характеристики каскада ОЭ. Эквивалентные схемы замещения

Полная эквивалентная схема замещения усилительного каскада представлена на рис. 3. Свойства усилительного каскада ОЭ определяются в значительной мере сопротивлением источника сигнала и эмиттерной цепью ООС.

				Ck
	Rg iб	б	б'	rk	к	iк
		rb
		Uб'э	rbe	Сbe
				Si Uб'э	э	S Uвх	Rkl
				iэ	э
Eвх	Uвх	Rb		iэ			Rk Rl	Uвых
Eвх	Uвх	Rb					Rk Rl	Uвых
				Re		Ce

Рис.3.

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам, ШКОЛА Н.Ф.

Для расчета среднечастотных, высокочастотных низкочастотных показателей каскада пользуются упрощенными эквивалентными схемами для соответствующего диапазона частот.

2.1.Каскад ОЭ в области средних частот с.ч. (сопротивление эмиттерной цепи принимается равным нулю за счет блокирующего действия конденсатора большой

емкости RЭ = 0).

Коэффициент усиления каскада в области с.ч., значение которого принимается за номинальное, рассчитывается по формуле:

Ko =

U ВЫХ

= S RКН =

β RКН

;

(1-22)

ВХ

11Э

RKH

;

(1-23)

gi +

gK +

gK =

;

(1-24)

gH =

(1-25)

где RКН - эквивалентное сопротивление коллекторной цепи транзистора,

RК- сопротивление коллекторной нагрузки,

RН- сопротивление внешней нагрузки каскада.

Входное сопротивление каскада определяется сопротивлением делителя в

цепи базы транзистора и его входным сопротивлением:

RВХ

= Rб

RВХОЭ = R1

[rб + rэ ( 1 + β )] .

(1-26)

Выходное сопротивление каскада задается внутренним сопротивлением

транзистора

коллекторного вывода относительно общего и внешним

сопротивлением в коллекторной цепи RK:

RВЫХ =

RK .

(1-27)

2.2. В области верхних частот в.ч. каскад представлен упрощенной эквивалентной схемой рис.4. Его выходная цепь представляет собой управляемый (зависимый) источник тока, нагруженный на интегрирующую RC-цепь.

Рис.4.

Комплексный коэффициент усиления каскада в области в.ч. определяется зависимостью:

K ( jω	) = −	KO
		1 + jω τ B

Постоянная времени в области в.ч. и верхняя граничная частота каскада ОЭ:

τ B = τ + ( S rб CK + CH ) RKH

(1-28)

(1-29)

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам, ШКОЛА Н.Ф.					6
где
S - крутизна транзистора в его рабочей точке,
СН - вносимая емкость нагрузки.
fB =		1		.	(1-
	2π	τ
30)			B
	Произведение верхней граничной частоты и коэффициента усиления в

области с.ч. называется площадью усиления каскада:
	П = ω В КО = 2π fB KO .				(1-31)

Площадь усиления характеризует способность каскада давать усиление в широкой полосе частот.

Входная динамическая емкость каскада равна сумме емкостей диффузионной эмиттерного перехода Сб'э и емкости Миллера СМ, свойственна всем инвертирующим усилительным каскадам напряжения, вход и выход которых соединены емкостью (в данном случае это емкость СК):

CВХ . ДИН = Сб' э + СМ = Сб' э + СК ( 1 + КО ) .	(1-32)
При каскадировании каскадов ОЭ именно входная динамическая	емкость

последующего каскада будет выполнять роль емкости нагрузки предшествующего, и ее величину необходимо учитывать при расчете по формулам (2-8), (2-9) верхней граничной частоты нагруженного каскада.

2.3. В области нижних частот в каскаде ОЭ сопротивлением разделительных конденсаторов С1 и С2 (рис.1.) пренебречь нельзя. Блокирующий конденсатор С3 в цепи эмиттера транзистора также вносит частотные искажения, повышающие нижнюю граничную частоту и которые могут рассматриваться как низкочастотные, эквивалентные некоторой разделительной цепи. Выходная цепь каскада представляет собой управляемый (зависимый) источник тока (рис.5), нагруженный на цепь, по частотным свойствам соответствующей дифференцирующей.

Рис.5.

Для учета всех конденсаторов, емкости которых влияют на нижнюю граничную частоту, рассчитывают постоянные времени цепей, в которые они включены:

H 1

C1 ( RГ + RВХ ) ,

(1-33)

H 2

C 2 ( RВЫХ +

RН ),

(1-34)

r + R

H 3

C 3

r +

(1-35)

1 +

Нижняя граничная частота каскада определяется выражением:

fH =

fH 1 +

fH 2 +

fH 3

(1-36)

τ H 1

τ H 2

τ H 3

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам, ШКОЛА Н.Ф.

Искажения, возникающие при усилении входных импульсных сигналов прямоугольной формы, определяются переходной характеристикой ПХ каскада.

Для упрощения анализа переходных искажений переходную характеристику рассматривают отдельно для области малых времен после момента подачи на вход прямоугольного импульса, и области больших времен, которой соответствует плоская часть входного импульса. Как следует из теории цепей, поведение в области малых времен соответствует высокочастотная часть АЧХ, искажения плоской вершины определяет область н.ч. АЧХ каскада. Всегда следует помнить, что этот искусственный прием упрощает только расчет, на практике же оба типа искажений присутствуют в усиленном каскадом выходном сигнале.

Переходной процесс в области малых времен количественно характеризуется

временем нарастания (длительностью фронта) переходной характеристики каскада:

tФ = 2,2 τ В ,			(1-37)
Полученному времени нарастания соответствует верхняя граничная частота
усилительного каскада:
fB =	0,35	.	(1-38)

	tФ
В области больших времен каскад с ограниченным усилением			в области н.ч.

вносит спад вершины выходного сигнала ∆ , который определяется длительностью входного сигнала tИ и нижней граничной частотой каскада fH (для ∆ <0,15):

∆ =	tИ	= 2π fH tИ .	(1-39)

	τ Н

1.3.Высокочастотная коррекция каскада ОЭ

Рис.6.

Схема каскада с в.ч. коррекцией приведена на рис.6. Она отличается от рассмотренной выше схемы каскада ОЭ дополнительной цепью RСВ и CCB, которые создают частотнозависимую отрицательную обратную связь ООС. Вследствие малой постоянной времени цепи ее влияние проявляется лишь в области в.ч., где полное сопротивление цепи уменьшается, что уменьшает глубину отрицательной ОС, а значит увеличивает усиление и расширяет полосу пропускания в сторону верхних частот. Благодаря этому цепь связи увеличивает крутизну фронта ПХ каскада.

На низких и средних частотах, где глубина связи F определяется величиной RСВ, ее действие благоприятно сказывается на показателях каскада: повышается

(1-46)

(1-40)

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам, ШКОЛА Н.Ф.

стабильность коэффициента усиления, его нечувствительность к индивидуальным параметрам транзистора, повышается входное сопротивление каскада, снижается динамическая входная емкость, уменьшаются нелинейные искажения. Величину резистора связи RСВ берут малой во избежание значительного отклонения рабочей точки от исходной при введении в эмиттерную цепь транзистора дополнительного сопротивления. Включение резистора ОС уменьшает ток эмиттера и крутизну во столько раз, во сколько увеличивает общее сопротивление цепи переменному току. Для учета конечного сопротивления источника сигнала RГ в приведенных ниже формулах значение крутизны S должно быть сквозным (SГ).

F = 1 + αS RСВ ,

КО .КОР =				КО			,		(1-41)

				F
RВХ .КОР =				F RВХ .ОЭ ,					(1-42)
СВХдинКОР				=	СВХ . ДИН				(1-43)
							F
Кроме того,							в F раз уменьшается составляющая постоянной времени каскада
в области в.ч. , связанная с крутизной (но не с емкостью нагрузки СН !):
τ ВКОР	=		τ	+ S rб СК RКН				+ CH RKH .	(1-44)

							F
В результате верхняя граничная частота каскада увеличивается:
fBC =		1				.			(1-45)

	τ BKOP
Для	дальнейшего расширения полосы в область в.ч. следует ввести емкость
связи CCB.	При этом крутизна фронта ПХ каскада увеличивается,								так как при

подаче на его вход скачка напряжения конденсатор CCB заряжается до нового установившегося напряжения на нем не скачком, а постепенно (по экспоненте). Благодаря этому в момент поступления входного перепада все его напряжение оказывается приложенным к переходу базаэмиттер транзистора, что увеличивает как величину, так и скорость изменения выходного тока транзистора. Этот ток заряжает емкость нагрузки с большей скоростью и тем самым сокращает время установления выходного напряжения. Достигаемая при этом верхняя граничная частота, соответствующая однополюсной характеристики передачи, определяется по формуле

fBβ = F fB .

Соответствующая этому случаю емкость конденсатора в приближении, что справедливо соотношение fS>>fB :

CCB =	τ B	.	(1-47)

	Rсв

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам, ШКОЛА Н.Ф.

1.5. Местная последовательная отрицательная ОС по току в каскаде ОЭ

Рис.7.

В этом каскаде (рис. 7.) ОС создается резистором Rэ, через который протекает весь ток нагрузки транзистора (считаем IЭ=IK) и создает на нем напряжение связи, направленное навстречу входному напряжению (поэтому связь отрицательная). Одновременно она является последовательной. Это наиболее простая схема ОС. Обычно ее применяют для повышения входного сопротивления, уменьшения нелинейных искажений и стабилизации рабочей точки транзистора. В области в.ч. глубокая местная отрицательная ОС снижает входную динамическую емкость каскада и значительно расширяет его полосу частот, особенно при наличии малой емкости эмиттерной цепи СЭ, шунтирующей эмиттерное сопротивление аналогично

ССВ.

Следует учесть, что входное сопротивление каскада при наличии в нем местной отрицательной ОС определяется в основном сопротивлением делителя в цепи базы Rб и поэтому снижение нижней граничной частоты не так значительно.

Все расчетные формулы (1-40) - (1-47) справедливы при замене в них RСВ на

RЭ.

1.6. Каскадное включение усилительных каскадов ОЭ

Искажения ПХ при увеличении числа каскадов тоже увеличиваются. Задержка начала фронта возрастает, а крутизна его уменьшается, так как в каждом каскаде происходит заряд эквивалентной емкости нагрузки нарастающим током транзистора. Однако построение ПХ всего усилителя по ПХ отдельных каскадов сложно. Вместо этого ограничиваются оценкой искажений ПХ усилителя.

Длительности нарастания фронтов ПХ отдельных каскадов, не имеющих больших выбросов, суммируются геометрически:

tФΣ ≈ tФ1

2 + tФ2

2 + ...tФт

2 .

(1-48)

Так же суммируются небольшие величины выбросов отдельных каскадов, имеющих одинаковые времена нарастания,

δ У = δ 12 + δ 22 + ...δ n2 .

(1-49)

Относительные спады вершин ПХ каскадов суммируются арифметически:

∆ У = ∆ 1 + ∆ 2 + ... + ∆ n .	(1-50)
Эта формула тем точнее, чем меньше ∆ У.

Электроника и МПТ, методические указания к лабораторным работам, ШКОЛА Н.Ф.

2.Описание работы

Входе выполнения работы исследуются схемы, представленные в приложении на принципиальных схемах (рис.1.- рис.3.) и перечне элементов к ним. Исследуемая схема собирается на макетной плате типа GL-36 или GL-48. Располагать элементы следует в полном соответствии с рекомендованной топологией, представленной в приложении на рис.4. Для присоединения элементов к узлу используют внутриплатные соединения и проводниковые перемычки, которые должны иметь минимальную длину. При сборке схемы следует быть

особо внимательным, чтобы избежать ошибок.

На	макетной плате расположены следующие элементы, позиционное
обозначение и назначение которых следующее:
VT1 - биполярный транзистор КT3102Б;

R1, R2 - резисторы делителя,

R3 - коллекторный резистор,

R4 - резистор эмиттерной стабилизации в схемах 1-2, местной отрицательной ОС в схеме 3,

R5резистор цепи в.ч. коррекции в схеме 2, С1, С2конденсаторы связи,

С3 - блокирующий конденсатор в цепи эмиттера, С4 - емкость нагрузки каскада, С5 - конденсатор цепи в.ч. коррекции в схеме 2,

С51конденсатор цепи в.ч. коррекции в схеме 3 местной отрицательной ОС. Источник питания подключается к клеммам макетной платы по

двухпроводной цепи. Вывод "-" источника соединяется с нижней клеммой "общий", а вывод "+" - подключается к клемме V2. Перед подачей питания собранную цепь следует тщательно проверить на соответствие принципиальной схеме. Следует избегать "паразитных" соединений выводов элементов в процессе выполнения работа, особенно внимательно нужно следить за сохранностью соединений в цепи питания.

Сигнальный провод (клемма V3) следует присоединить к входной точке “IN” исследуемых схем. Для подключения входа осциллографа к точкам исследуемой схемы необходимо использовать пробник с коэффициентом передачи 1:10. Сигнальный вход пробника следует зафиксировать в контактном гнезде. При этом общий провод входного пробника осциллографа следует присоединить к общей шине макетной платы (проводник, закрепленный вдоль края платы).

3. Задание на дом

3.1.Рассчитать по формулам значения параметров (RВХ.ОЭ, rэ, Si, S, gi, Ri, fT, fβ , τ β ,

fS,τ S=τ , Cб'э, ПVT ) транзистора КТ3102Б в рабочей точке.

Воспользоваться справочными данными по транзистору и полученными экспериментальными данными о рабочей точке при моделировании схемы из файла LAB4_1.CIR. При расчете для транзистора КТ3102Б принять rб=37 Ом, Ua=72 B.

По графикам ВАХ построить линию нагрузки и положение рабочей точки, определить максимальную линейную амплитуду Um- отрицательной полярности и максимальную линейную амплитуду Um+ положительной полярности напряжения выходного сигнала.

Результаты расчетов и значения амплитуд Um- и Um+ занести в лабораторный журнал.

3.2. Рассчитать параметры усилительного каскада ОЭ по его принципиальной схеме (Приложение, рис.1.)

1 / 21 2 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
13.03.20161.35 Mб109Элетродинамика. Специальная теория относительности. Теория электромагнитного поля. Памятных Е. А..pdf
#
22.02.201548.94 Кб13Эльконин.Периодизация.docx
#
05.12.2018226.82 Кб5ЭМИ.doc
#
27.09.201951.71 Кб2Эмоциональный интеллект.doc
#
20.09.2019137.4 Кб9ЭМПиВ РГР 1.docx
#
23.02.2015467.75 Кб7ЭМПТ_Лаб4_03.pdf
#
21.08.2019746.5 Кб4ЭМПТ_Лаб5_10.doc
#
22.02.2015357.38 Кб9ЭМС-5.doc
#
17.04.2019419.33 Кб1ЭНЕРГЕТИКА.doc
#
22.02.20156.33 Mб9Энтони Гидденс - Социология.doc
#
21.11.201818.3 Mб27Энциклопедический словарь по металлургии под ре....doc