5.4. Практическое занятие
Цель:
1.Изучить принцип действия усилителя электрических сигналов на БТ.
2.Приобрести навыки построения нагрузочных прямых на семействе вы- ходных ВАХ БТ по постоянному и переменному току.
3.Изучить влияние температуры на положение рабочей точки БТ и ос- новные параметры усилителя.
4.Изучить основные способы задания рабочей точки БТ и принцип дей- ствия схем, стабилизирующих рабочую точку.
5.Провести инженерный расчет усилителя на БТ.
6.Выполнить анализ рассчитанного усилителя с помощью пакета OrCAD.
Порядок выполнения задания:
1. Выполнить инженерный расчет усилительного каскада на БТ с ОЭ и эмиттерной стабилизацией рабочей точки (см. рис. 5.5). Исходные данные для расчета приведены в табл. 5.1. Параметры транзисторов приведены в прил. 3, а их семейства ВАХ – в прил. 6. При расчете принять диапазон рабочих темпера-
тур от T = −20 oC |
до T |
= 60 oC ; нижнюю граничную частоту полосы |
|||||||
min |
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
пропускания fн = 200 Гц . |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
||
|
|
Исходные данные для расчета |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Тип БТ |
|
RН , |
Uвх m , |
S |
|
UИП , |
|
|
варианта |
|
|
кОм |
мВ |
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
01 |
КТ315Г |
|
2,5 |
10 |
0,1 |
|
9 |
|
|
|
02 |
КТ337Б |
|
5,0 |
20 |
0,2 |
|
15 |
|
|
03 |
КТ342А |
|
6,2 |
30 |
0,1 |
|
15 |
|
|
04 |
КТ347А |
|
7,0 |
20 |
0,3 |
|
20 |
|
|
05 |
КТ349Б |
|
4,8 |
25 |
0,1 |
|
12 |
|
|
06 |
КТ358Б |
|
7,5 |
20 |
0,2 |
|
20 |
|
|
07 |
КТ361Г |
|
10 |
15 |
0,4 |
|
10 |
|
|
08 |
КТ3102Г |
|
8 |
25 |
0,3 |
|
15 |
|
|
09 |
КТ3107Г |
|
3,6 |
35 |
0,4 |
|
10 |
|
|
10 |
КТ3117А |
|
4,0 |
30 |
0,2 |
|
15 |
|
1.1.По заданному сопротивлению нагрузки RН с использованием соот- ношения (5.16) выбрать сопротивление резистора R К .
1.2.Пользуясь выражениями (5.32), (5.34), (5.36), (5.4), определить рабо-
чую точку БТ: IК0 , IБ0 , UКЭ0 .
1.3. На семействе выходных ВАХ БТ отметить положение рабочей точки и построить нагрузочную прямую по постоянному и переменному току; уточнить
72
значение тока базы IБ0 , определить максимальную амплитуду напряжения неис- каженного выходного сигнала.
1.4.По семейству входных ВАХ БТ в рабочей точке определить значение параметра h11э .
1.5.Пользуясь выражениями (5.37)–(5.43), рассчитать элементы принци-
пиальной схемы усилителя, соответствующие уточненному значению IБ0 .
1.6.Пользуясь выражениями (5.11) и (5.14), рассчитать коэффициенты усиле-
ния по напряжению и мощности и определить амплитуду напряжения и мощность выходного сигнала по заданной амплитуденапряжениявходного сигнала.
1.7.Свести результаты расчета в таблицу.
2.Провести анализ усилителя с использованием пакета OrCAD.
2.1.Создать документ Schematics, содержащий показанную на рис. 5.6 схему для построения выходных характеристик БТ. К базе БТ должен быть подключен источник постоянного тока IDC, к коллектору – источник постоян- ного напряжения VDC. Провести расчет выходных характеристик БТ, соответ-
ствующих току базы в рабочей точке IБ0 для трех значений температуры: Tmin , T = 27°C и Tmax . Для этого использовать вид анализа DC Sweep, задав измене- ние напряжения источника V1 в диапазоне от 0 до Uип с шагом 0,01 В и опре- делив значения температуры в разделе анализа Temperature.
|
Вывести на экран зависимости коллекторно- |
|
го тока от напряжения источника V1. Построить |
|
график нагрузочной прямой по постоянному то- |
|
ку (5.6) и определить координаты рабочей точки |
|
для трех значений температуры. Для построения |
|
нагрузочной прямой в строке Trace Expression |
|
записать правую часть (5.6), используя числовые |
|
значения для UИП и R К , а также обозначение |
|
V_V1 для UКЭ . Результаты свести в таблицу. |
Рис. 5.6 |
Как влияет изменение температуры на по- |
|
ложение рабочей точки? |
2.2. Построить семейства выходных ВАХ для трех указанных значений температуры. Изменение тока базы задать списком значений 0, IБ0 , 5× IБ0 . По-
строить график нагрузочной прямой по постоянному току (5.6).
Определить максимальные значения амплитуды положительной и отрица- тельной полуволны выходного напряжения Uвых+ max , Uвых− max для трех значений
температуры.
Как влияет изменение температуры на максимальное значение амплиту- ды напряжения неискаженного выходного сигнала?
2.3. Создать документ Schematics, содержащий принципиальную схему рассчитанного усилителя, показанную на рис. 5.7. В качестве источника сигна- ла V1 использовать источник синусоидального напряжения VSIN. Провести расчет схемы по постоянному току для трех значений температуры Tmin ,
T = 27°C и Tmax . Результат расчета рабочей точки БТ ( UКЭ0 и IК0 ) свести в
73
таблицу. Определить, насколько изменяется напряжение UКЭ0 и ток IК0 в ра-
бочем диапазоне температур.
Сравнить полученные изменения напряжения UКЭ0 и тока IК0 с резуль-
татами выполнения п.2.1. Происходит ли стабилизация рабочей точки в дан- ной схеме?
По (5.25) определить коэффициент нестабильности тока коллектора S.
Сравнить рассчитанное значение S с исходным значением. Удалось ли достичь заданных требований?
2.4. Используя вид анализа Transient для входного сигнала с заданной амплитудой на частоте f = 1000 Гц, провести расчет формы напряжения вы- ходного сигнала и определить его амплитуду, рассчитать коэффициент уси- ления по напряжению. Для этого установить параметры анализа Transient следующим образом: шаг вывода данных – 1 мкс (Print Step – 1u); конечное время расчета – 4 мс (Final Time – 4m); максимальный шаг интегрирования –
1 мкс (Step Ceiling – 1u).
Сравнить результаты машинного анализа с результатами инженер- ного расчета. Объяснить причины различия результатов.
Рис. 5.7
2.5. Используя возможности многовариантного анализа (Parametric), провести расчет формы напряжения выходного сигнала при различных ам- плитудах напряжения входного сигнала. Амплитуду входного сигнала из- менять в диапазоне от Uвх m до 10× Uвх m . Для этого с помощью элемента
Parameters определить глобальный параметр, например amp. С его использо- ванием задать амплитуду синусоидального источника напряжения V1. Вклю- чить многовариантный анализ Parametric, задав в нем изменение глобально- го параметра amp. Определить максимальную амплитуду напряжения выходного неискаженного сигнала.
Почему при увеличении амплитуды входного сигнала происходит иска- жение формы выходного сигнала усилителя?
74
5.5.Контрольные вопросы
1.Назовите основные требования к цепям питания БТ в различных схе- мах включения.
2.Поясните недостатки схем смещения фиксированным током и фикси- рованным напряжением базы.
3.Как правильно выбрать положение рабочей точки на входных и выход- ных характеристиках транзистора?
4.Опишите порядок построения нагрузочной прямой по постоянному и переменному току.
5.Объясните принцип действия эмиттерной и коллекторной стабилиза- ции режима покоя усилителя.
6.Поясните порядок расчета элементов схем температурной стабилиза- ции усилителей.
7.Какие параметры транзистора и элементы схемы определяют величину амплитудных значений тока и напряжения нагрузки?
8.Как изменяются параметры усилителей при неправильном выборе по- ложения рабочей точки?
9.Какие из параметров биполярных транзисторов наиболее сильно зави- сят от температуры?
10.Какими параметрами ограничена область допустимых режимов рабо- ты биполярных транзисторов.
11.Назовите основные причины нестабильности параметров транзистор- ных усилителей.
12.Как влияет изменение температуры на ВАХ БТ и положение рабочей точки в схеме с фиксированным током базы?
13.Каким уравнением описывается нагрузочная прямая по постоянному
току?
14.Какие функции выполняют разделительные конденсаторы?
15.Из каких соображений выбирается сопротивление нагрузки?
16.Что такое рабочая точка активного элемента?
75