1.2. Описание лабораторной установки

Лабораторная работа выполняется на функциональном модуле лабораторного стенда, названном «Исследование нелинейных цепей» (рис. 1.5).

Вработе исследуется проходная характеристика (зависимость тока стокаi_c от напряжения между затвором и истоком U_зи) полевого транзистора типа КП903: производится измерение этой характеристики, выполняется аппроксимация тремя выше описанными методами.

Для выполнения измерения на основе полевого транзистора собирается резистивный усилитель, в составе: транзистор, резистор R3 из блока «Простые и сложные цепи», источник питания с напряжением U_C, источник смещения U_СМ .

Для измерения проходной характеристики используется вольтметр В7-58 или В7-38, в режиме измерения постоянного напряжения.

Рис. 1.5. Внешний вид и принципиальная схема функционального модуля лабораторного стенда «Исследование нелинейных цепей»

1.3. Домашнее задание

1. Изобразить принципиальную схемы резистивного усилителя и схему подключения вольтметра для измерения проходной характеристики (зависимости тока стока i_c от напряжения между затвором и истоком U_зи) полевого транзистора.

2. Рассчитать диапазон токов, который получится при выполнении измерения проходной характеристики, если напряжение источника питания U_C = 12 В, а сопротивление R3 = 3 кОм.

3. Ознакомиться и разобраться в предлагаемых методах аппроксимации характеристики нелинейного элемента: аппроксимация степенной функцией (с использованием полинома 4 степени); кусочно-линейная аппроксимация (двумя отрезками прямых); использование метода 5 ординат.

1.4. Лабораторное задание и методические указания

1. Произвести измерение проходной характеристики (сток – затворной) вольт–амперной характеристики полевого транзистора. Для этого:

1.1. Подготовить и включить приборы и лабораторный стенд. Собрать схему исследования (рис. 1.6), в качестве нагрузки транзистора включить резисторR3 (R3=3 кОм).

Рис. 1.6. Схема измерения сток–затворной характеристики полевого транзистора

Смещение на затворе транзистора устанавливается ручкой регулировки V_СМ (рис. 1.5). Для его измерения к затвору транзистора (рис. 1.6) подключается вольтметр в режиме измерения постоянного напряжения.

Величина тока, протекающего через транзистор (ток стока i_C) измеряется косвенным методом по падению напряжения на сопротивлении R3, включенном в цепь стока.

При помощи вольтметра (в режиме измерения постоянного напряжения) измеряется разность напряжения источника питания E_C (на рис. 1.5 U_п) и падения напряжения на резисторе R3 (рис. 1.6):

V2 = E_C - i_C·R3. (1.8)

Для измерения напряжения V2 вольтметр отключается от затвора и подключается к стоку (рис. 1.6).

1.2. Подключить вольтметр к стоку транзистора. Изменяя напряжение смещения ручкой V_CM, установить ток стока равным нулю (напряжение на стоке установить максимальным, его значение должно быть примерно 12 В). Измерить напряжение источника питания (подключить вольтметр к гнезду на шине питания U_п (рис. 1.5)). Его значение должно быть равным или близким к значению напряжения на стоке.

1.3. Выполнить измерение сток–затворной характеристики, то есть зависимости тока, протекающего по цепи сток-исток транзистора, от напряжения между затвором и истоком. Для этого изменяя напряжение смещения измерить зависимость напряжения на стоке от напряжения смещения (не менее 10 точек в диапазоне изменения напряжения на стоке от максимального значения до нуля).

Особенность характеристики транзистора требует первым измерять напряжение на стоке, а затем соответствующее этому значению напряжение на затворе. Допускается выбрать равномерный шаг изменения напряжения на стоке (например, через 1 В).

1.4. Построить сток–затворную характеристику полевого транзистора (зависимость тока стока от напряжения на затворе), выполнив пересчет результатов измерения с использованием формулы (1.8). Построение выполнить с использованием табличного редактора Microsoft Excel или другими средствами.

2. Выполнить аппроксимацию полученной характеристики тремя методами: степенной функцией (полином 4 степени), кусочно-линейной функцией и методом пяти ординат. В последнем случае выбрать амплитуду входного гармонического колебания равную половине диапазона входных напряжений, принятого при степенной аппроксимации. Рассчитать амплитуды четырех гармоник тока: I_m1, I_m2, I_m3, I_m4 (с частотами ₀, 2₀, 3₀, 4₀).

3. Подать на нелинейный элемент с внешней характеристикой, описанной полиномом четвертой степени (полученным в домашнем задании), входное напряжение U_зи(t)=U_см+U_m·cos₀t. Напряжение смещения U_см принять равным U₀, а амплитуду U_m выбрать равной значению в предыдущем пункте. Рассчитать амплитуды четырех гармоник тока: I_m1, I_m2, I_m3, I_m4 (с частотами ₀, 2₀, 3₀, 4₀).

4. Рассчитать амплитуды четырех гармоник тока с использованием кусочно-линейной аппроксимации. Амплитуду входного гармонического колебания принять равной значению в предыдущих расчетах. Начальное смещение выбрать равным напряжению U_H (рис. 1.4), угол отсечки  принять равным π/2 (в соответствии с (1.10)).