10

Лабораторная работа № 1 Исследование режима работы по постоянному току усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе

1. Цель работы

1. Закрепление материала о принципах работы усилительных каскадов на биполярных транзисторах.

2. Закрепление материала о методике выбора и обеспечения положения точки покоя усилительного каскада и способах термостабилизации.

2. Рабочее задание

В лабораторной работе требуется синтезировать и исследовать усилительный каскад с общим эмиттером (рис. 2.1), обеспечивающий при заданном напряжении питания и заданном сопротивлении нагрузки максимальную амплитуду выходного напряжения.

Исходные данные для расчета и компьютерного анализа и синтеза:

• Напряжение питания каскада:E_С= 10 В.

• Сопротивление нагрузки каскада: R_LOAD=5 кОм.

• Температурный диапазон работы каскада: 27С…67С.

• Дрейф напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя в пределах температурного диапазона: U_CEA(T) не более 500 мВ.

• Максимально допустимая мощность, рассеиваемая на транзисторе и максимальный коллекторный ток транзистора определяются справочными параметрами.

2.1. Анализ по постоянному току в режиме dcAnalysis

1. Построить семейство выходных ВАХ биполярного транзистора.

2. Построить на одном графике с семейством выходных характеристик транзистора прямую линию ограничения тока покоя транзистора на уровне 0.8I_CMAX и кривую ограничения тока коллектора по максимальной мощности, рассеиваемой транзистором.

3. Построить на графиках ограничительную линию нагрузки, соответствующую максимально возможному суммарному сопротивлению . Одна точка этой линии находится на оси напряженийV_CEи определяется заданным напряжением питания каскадаE_C— точка С. Вторая точка находится на оси токовI_C— точкаD. Длина отрезка [0,D] равна. Суммарное сопротивление в цепи эмиттера и коллектора однокаскадного усилителяR_=R_E+R_Cдолжно удовлетворять неравенству, т. е. линия нагрузки каскада на постоянном токе должна лежать выше ограничительной нагрузочной прямой. В усилительном каскаде с резистором в коллекторной цепиR_C, удовлетворяющим приведенному неравенству, при подключении нагрузки не будет уменьшаться амплитуда переменной составляющей выходного напряжения из-за её деления резистивным делителемR_C–R_LOAD. Таким образом, только при выполнении данного ограничения мы можем рассчитывать на получение максимальной амплитуды выходного сигнала, требуемой заданием. Для рисования ограничительной линии нагрузки на постоянном токе следует воспользоваться командами рисования графических объектов. После перечисленных построений графическое окно с семейством характеристик и ограничительными линиями должно иметь вид, близкий к представленному на рис. 2.3.

Рис. 2.3. К графоаналитическому синтезу усилительных каскадов на биполярных транзисторах

4. Построить линию нагрузки на постоянном токе усилительного каскада таким образом, чтобы она не зашла в запрещенные области (показанные на рис. 2.3. штриховкой). Примерное положение линии нагрузки на постоянном токе (ЛН=) представлено на рис. 2.3. отрезком прямой FC.

5. Определить суммарное сопротивление R_=R_C+R_E, используя ординату точки пересечения линии нагрузки на постоянном токе с осью токаI_C:

.

6. Рассчитать требуемое отношение сопротивлений в коллекторной и эмиттерной цепях , исходя из заданного температурного диапазонаT, заданного максимального дрейфа напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя в диапазоне температурV_CE0(T)и известного температурного коэффициента напряжения база-эмиттер:

.

7. Рассчитать требуемые сопротивления в цепи эмиттера R_Eи коллектораR_C:

; .

Учитывая то, что резистор R_Eзаземляется по переменной составляющей (см. рис. 2.1), и то, что к коллектору транзистора подключается сопротивление нагрузки, линия нагрузки по переменному току ЛН~ будет иметь более крутой наклон, чем линия нагрузки по постоянному току ЛН= (см. рис. 2.3). Для обеспечения максимального размаха напряжения на нагрузке при заданном напряжении питания необходимо так выбрать точку покоя каскада — точку А (см. рис. 2.3), чтобы отрезки линии нагрузки на переменном токе [B~,A] и [A,C~] были бы приблизительно равны. Как показывает анализ, напряжение коллектор-эмиттерV_CEAв точке покоя в этом случае должно определяться соотношением:

, (1)

где V_CES— напряжение коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения при максимальном токе нагрузки, определяемое приближенно по семейству выходных характеристик.

8. Рассчитать по формулам (1) и (2) напряжение коллектор-эмиттер каскада в точке покоя V_CEA и ток коллектора в точке покояI_CA. Поскольку точка покоя (т. А) находится на линии нагрузки по постоянному току, то коллекторный ток покоя определится по формуле:

. (2)

9. Определить приближенно ток базы покоя усилительного каскада. Приближенно он может быть определен по семейству выходных характеристик и известному значению напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя V_CEA. Для этого из точки на оси абсцисс с координатами (V_CEA, 0) строится перпендикуляр до пересечения с линией нагрузки по постоянному току — т. А. Для приближенного расчета тока базы покояI_BA, используются близлежащие кривые семейства выходных характеристик транзистора. На рис. 2.3. — это характеристики, построенные при токах базыI_B6иI_B7. Очевидно, что грубо приближенно ток базы покояI_BAможет быть определен как(см. рис. 2.3).

10. На основе входных I_B(V_BE)и характеристик транзистора определить значение напряжения база-эмиттер в точке покояV_BEA, соответствующее точному значению тока базы в точке покояI_BA. На данном этапе все искомые параметры точки покоя усилительного каскадаV_CEA, I_CA, I_BA, V_BEAизвестны.

11. Включить режим DynamicDC, выполнив команду менюAnalysis/Dynamic DC(<Alt>+<F4>). Включить показ токов, протекающих в схеме, нажав на кнопку. Измерить ток эмиттера транзистора в точке покоя I_EA. Рассчитать потенциал базы усилительного каскада V_BAв точке покоя по формуле:

.

Выбрать ток делителя базовой цепи усилительного каскада I_DIVв диапазонеI_DIV=(510)I_BA.

Рассчитать сопротивление нижнего плеча делителя R2 (см. рис. 2.1) по формуле:

.

Рассчитать сопротивление верхнего плеча делителя R1 (см. рис. 2.1) по формуле:

.

12. Оформить отчет о проделанной работе.