Лабораторная работа №5

ИССЛЕДОВАНИЕ НА ПЭВМ КАСКАДА УСИЛЕНИЯ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ ОЭ

Цель работы: изучить принцип работы усилительного каскада с ОЭ и исследовать влияние элементов схемы на параметры и характеристики усилителя.

Общие сведения

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n (рис.7.1). Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R_к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U_{m вых} и R_н, и напряжению источника питания E_к.

Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

I_кпI_mнU_{m вых}/R_н

Напряжение покоя обычно выбирается U_кэп=E_к/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

Уравнение статической линии нагрузки

I_к=

Линию нагрузки можно построить в координатахI_к, U_кэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять I_к=0, то U_кэ=E_к. Построение статической линии нагрузки показано на рис.7.2 (линия ав).

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины R_к и R_Б:

R_к=;

R_Б=;I_Бп=I_Кп/h₂₁

При работе каскада в режиме холостого хода и i_вх=I_mвхsint рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше E_к/2.

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно R_к включается R_н. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - i_кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением i_к и подсчитав изменение напряжения U_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рис.7.2 (c-d). Очевидно, что угол между осью U_кэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R_н (при R_н=0 он составит 90). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U_{вых пр} с уменьшением R_н становится меньше E_к/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U_{m вых}, больше, чем U_{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I_кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада:

к_и=;

;

к_р=к_ик_i.

Предварительное задание к эксперименту

Транзистор каскада имеет следующие параметры:

h₁₁=0,5 кОм; h₂₁=25; h₂₂=0,3 мкСм; h₁₂=0.

Напряжение база-эмиттер U_бэ принять равным во всех режимах 0,6 В. Напряжением U_кэ в режиме насыщения пренебречь. Напряжение источника питания E_к=12 В.

1. Рассчитать величину R_к, которая обеспечит на холостом ходу заданный в таб.7.1. коэффициент усиления. Начертить в координатах I_к, U_кэ линию нагрузки. Рассчитать сопротивление R_Б, которое позволит получить максимальную амплитуду выходного напряжения U_{m вых}, без искажений. Показать положение точки покоя на линии нагрузки и определить предельную величину U_{вых пр}.

2. Определить амплитуду входного напряжения U_{m вх}, соответствующего определенному в п.1 значению U_{вых пр}.

3. Рассчитать при заданном в табл. 7.1 сопротивлении нагрузки R_н значения коэффициентов усиления к_и,, к_р, к_i. Построить динамическую линию нагрузки и определить предельную величину U_{m вых}, сравнить с предыдущими результатами.

4. Рассчитать амплитуду входного напряжения U_{m вх}, позволяющего получить максимальное выходное напряжение без искажений.

5. Определить R_н, при котором к_р достигает максимального значения. Рассчитать это значение к_р.

Таблица 7.1

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
к u	35	40	45	50	55	60	65	70
Rн, кОм	0,5	1,0	1,5	2,02	2,5	3,0	3,5	4,0

Порядок выполнения эксперимента

Математическая модель каскада усиления реализована в программе LAB7.EXE. При запуске она иллюстрирует работу каскада при выбранных в качестве примера значениях R_к, R_Б, R_н и U_{m вх}, которые высвечиваются на экране монитора. На экран выводятся линии нагрузки с указанием положения точки покоя, осциллограммы входного и выходного напряжений, значения коэффициентов усиления и параметры точки покоя. После нажатия клавиши “Ввод” изображается амплитудная характеристика каскада, и программа переходит в диалоговый режим.

Ввод новых значений R_к, R_Б, R_н и U_{m вх} производится в рамку, которая высвечивается у соответствующей величины. Перемещение рамки с помощью клавиш “Вверх”,“Вниз”. После ввода данных нажать клавишу “Ввод”.

1. Ввести рассчитанные значения R_к , R_Б и R_н=1000 кОм для режима холостого хода. Записать значение к_u, параметры режима покоя и начертить с экрана в масштабе амплитудную характеристику каскада. По характеристике определить U_{вых пр} и сравнить с результатом расчета предварительного задания.

2. Увеличить в 2 раза R_к. Записать значение к_u и нанести на предыдущий график амплитудную характеристику каскада в этом режиме. Объяснить изменения к_u.

3. Ввести рассчитанные значения R_к , R_н. Записать значения к_u, к_i, к_р и сравнить с расчетными. На предыдущем графике нанести амплитудную характеристику. Определить U_{вых пр}. Сравнить с расчетным.

4. Ввести рассчитанную в п.4 предварительного задания величину U_{m вх} и проверить отсутствие искажений. Перечертить с экрана осциллограммы входного и выходного напряжений.

5. Увеличить U_{m вх} в два раза, обратить внимание на появление нелинейных искажений. Перечертить осциллограммы входного и выходного напряжений.

6. Изучить влияние R_Б на форму U_вых, для чего ввести при первоначальном значении U_{m вх} значения R_Б, равные 0,6 и 2,0 от расчетного. Перечертить осциллограммы входного и выходного напряжений. Объяснить причины появления нелинейных искажений.

Содержание отчета

Цель работы: схема исследуемого каскада; расчет предварительного задания; значения коэффициентов усиления, амплитудные характеристики и осциллограммы по каждому пункту выполненного эксперимента; краткие выводы.