ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

Усилительные каскады на основе БТ.

Биполярные транзисторы обладают хорошими усилительными свойствами в сочетании с высоким быстродействием, что обусловило их широкое использование как усилительных элементов в кремниевых аналоговых ИС.

Простейшая схема усилительного каскада на основе БТ показана на рис.1.

На рис 2 представлена его эквивалентная схема для малого сигнала.

Входное сопротивление каскада r_вх зависит от режима работы и составляет

(1)

где - крутизна транзистора (передаточная проводимость).

С учетом выходного сопротивления генератора и при условии коэффициент усиления каскада равен

(2)

При этом возможны два крайних случая. Если

то входной сигнал не делится на входе и коэффициент усиления составляет . Для противоположного случая - . В первом случае входное сопротивление БТ велико по сравнению с выходным сопротивлением генератора входного сигнала и коэффициент усиления определяется крутизной транзистора. При этом коэффициент усиления существенно зависит от режима, поскольку .

Во втором случае транзистор управляется током (его входное сопротивление мало) и коэффициент усиления определяется коэффициентом усиления базового тока, который от режима в определенной области токов практически не зависит.

Теоретически для достижения максимального коэффициента усиления необходимо повысить сопротивления нагрузки до величины, которая много больше выходного сопротивления транзистора в схеме с общим эмиттером . Однако реализация высокоомных резисторов в ИС затруднена, кроме того с увеличением сопротивления нагрузки приходится повышать напряжение питания для сохранения приемлемой крутизны или входного сопротивления БТ.

Более эффективный способ повышения коэффициента усиления – применение токовой нагрузки. На рис. 3 показана схема усилитель - каскада, использующего в качестве нагрузки токовое зеркало на основе р-п-р транзисторов. Коэффициент усиления такого каскада равен

, (3)

где G_n и G_p – выходные проводимости п-р-п и р-п-р транзисторов.

Преимущество такой схемы заключается также в том, что для задания тока в БТ применяется резистор R₃, никак не влияющий на усиление, что позволяет использовать низковольтные источники питания.

Частотные свойства каскадов с общим эмиттером можно оценить по известной формуле

, (4)

где - время жизни в базе неосновных носителей.

В большинстве случаев последнее слагаемое является определяющим и с увеличением сопротивления нагрузи граничная частота уменьшается обратно пропорционально коэффициенту усиления.

Для улучшения частотных свойств усилительных каскадов используются эмиттерные повторители, преобразующие выходное сопротивление каскада (рис. 4).

При выборе нагрузи в цепи эмиттерного повторителя следует учитывать влияние его входного сопротивления на коэффициент усиления каскада с одной стороны и на время разряд нагрузочной емкости – с другой.

Это позволяет сформулировать ограничения при выборе сопротивления нагрузки в цепи эмиттерного повторителя, обеспечивающие повышение быстродействия без потери коэффициента усиления:

.

Усилительные каскады на основе МДПТ.

Крутизна полевых транзисторов существенно меньше, чем у биполярных, однако с уменьшением длины затвора до 1 мкм и менее, их крутизна становится достаточно высокой. Одновременно падает выходная проводимость приборов. В результате максимальный коэффициент усиления МДПТ примерно в 20 раз хуже, чем у БТ.

Тем не менее высокое входное сопротивление полевых транзисторов и достаточно высокое быстродействие короткоканальных МДПТ делает их использование в усилительных каскадах весьма привлекательным.

На рис.5-h показан вариант усилительного каскада на основе МДПТ с линейной нагрузкой. Коэффициент усиления такого каскада равен

(5)

В схемах с использованием токовой нагрузки, он близок к максимальному:

(6)

Частотные свойства усилительного каскада на основе ПТ можно оценить по формуле

(7)

где - емкость затвор-исток МДПТ.

Для повышения быстродействия усилительные каскады подключаются к нагрузке через истоковый повторитель. Поскольку входное сопротивление повторителя очень велико, он не оказывает шунтирующего влияния на коэффициент усиления каскада. При выборе параметров транзисторов в повторителе исходят из необходимой постоянной времени заряда емкости нагрузки : . (9)

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ.

В ходе выполнения индивидуального задания проводится сравнительный анализ двух типов усилительных каскадов, номера схем которых определяются в зависимости от номера варианта (таблица, рис.5).

Исходные данные.

Резисторы в источниках входного сигнала 100 Ом.

Резисторы в нагрузке R_L(R_н) ~ 2-5кОм, нагрузочные емкости C_L(C_н)~ 2 пФ.

Ток в источниках тока равен 1 мА.

В токовых зеркалах коэффициент передачи тока равен 1.

Напряжения питания по варианту.

Разброс номиналов источников питания +/- 10%.

Температурный диапазон -25^0… +80⁰ .

Разброс технологических параметров +/- 10%.

При выполнении индивидуальных заданий можно считать, что все однотипные биполярные и МДП транзисторы имеют одинаковые характеристики.

Варианты индивидуальных заданий.

№ варианта	№ № рисунка	UИП, В		№ варианта	№ № рисунка	UИП, В
1	e,h,	5		13	q	5; 3,6
2	e,f	5		14	r	5; 3,6
3	g	5; 3,6		15	s	5; 3,6
4	h,o	5		16	e,f	3,6
5	i	5; 3,6		17	k,l	3,6
6	j	5; 3,6		18	h,k	3,6
7	k	5; 3,6		19	h,l	3,6
8	l	5; 3,6		20	4	5
9	m,n	5		21	j	3,6; 3,3
10	n,p	5		22	r	3,6; 3,3
11	o,p	3,6		23	s	3,6; 3,3
12	h,p	3,6		24

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Получить ВАХ активного биполярного или МДП транзистора (рис. a,b,c,d) в соответствии со схемой варианта.

• Рассчитать при помощи ВАХ значения передаточной проводимости g_m для тока I_к (I_c)1 мА;

• Получить величину U_A из выходной ВАХ, рассчитать выходную проводимость G.

• Оценить изменение g и G в заданном температурном диапазоне -25⁰ … +80⁰С.

Провести моделирование усилительных каскадов и сравнить параметры заданных двух схем или одной схемы для разных напряжений источника питания.

• По передаточной характеристике U_вых = f(U_вх) (DC- анализ) задать рабочую точку (определить напряжение смещения в середине области переключения, в точке U_cм = U_вых = U_вх);

• Включить последовательно источник смещения и источник переменного напряжения амплитудой 0,05 – 0,2В (АС- анализ);

• Получить зависимость . Определить значения A_U, ω_α, ω_Τ;

• Провести моделирование работы схемы для импульсного сигнала на входе с большой и малой амплитудой. Фронты сигнала менее 1 нс.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЯ

- при определении величин g и G у транзисторов ввести вариации параметров, связанных с технологическим процессом (+/- 10% номинала), например,

• для биполярного транзистора: α_N, A_Э, N_Б, W_Б r_К, r_Б ;

• для МДП транзистора: U_пор, k_p , d_ox, W, L;

- определить основные факторы, влияющие на значения параметров A_U, ω_α, ω_Τ в схемах, изменяя параметры активных и пассивных элементов (коэфициенты усиления, номиналы сопротивлений и емкостей), например, в 2 раза.

4.3. Оформление отчета.

Отчет в тетради должен содержать:

• название работы;

• краткий конспект теоретической части;

• аналитические расчеты;

• распечатки результатов моделирования;

• выводы по работе.

Рис.5. Варианты усилительных каскадов

K)