Министерство образования и науки Российской Федерации
Новосибирский государственный технический университет
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания к лабораторным работам
для студентов III курса РЭФ
(специальностей 201200 и 071400)
НОВОСИБИРСК
2005
Составили: к.ф.-м.н., доцент Драгунов В.П.
к.т.н., доцент Фадеева Л.В.
Рецензент: к.т.н., доцент Разинкин В.П.
Работа подготовлена кафедрой
полупроводниковых приборов и микроэлектроники
Лабораторная
работа №1
Анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах графическим методом
1. Цель работы
Ознакомление с графическим методом анализа усилительных каскадов на биполярных транзисторах и влиянием характеристик элементов схемы на работу каскада.
2. Теоретическое введение
Проектирование электронных устройств предлагает решение широкого комплекса вопросов: выбор принципиальной схемы, её расчёт и оптимизация, разработка конструкции и технологии. Одна из главных задач проектирования любой электронной, в том числе и интегральной схемы заключается в её теоретическом и экспериментальном анализе. Цель такого анализа состоит в определении соотношений между воздействиями и реакциями для известной схемы, чтобы получить её характеристики при некотором заданном изменении параметров элементов схемы и режимов работы.
В принципе эту задачу можно решить аналитически, если составить систему уравнений, описывающих поведение схемы при заданном воздействии, и решить её относительно неизвестного параметра. К сожалению, на практике ни одна из реальных схем так рассчитана быть не может из-за сугубо нелинейного вида характеристик активных элементов (и, следовательно, нелинейного характера уравнений). Поэтому анализ выполняют приближёнными методами или графически.
Достоинствами графического метода анализа является наглядность и применимость как в режиме «малого», так и «большого сигнала».
Непосредственно анализ проводят в два этапа:
а) по постоянному току (на этом этапе определяют токи и напряжения в ветвях схемы при отсутствии сигнала на входе, то есть определяют положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках);
б) по переменному току (на этом этапе анализируют поведение схемы и определяют её характеристики при воздействии входного сигнала).
Анализ по постоянному току
На рис. 1 показана схема типичного каскада на биполярном транзисторе, включённого по схеме с общим эмиттером.
Рис. 1
Резисторы
,
,
и
задают начальное смещение эмиттернему
и коллекторному переходам.
и
образуют фильтры верхних частот и не
пропускают низкочастотные составляющие
сигнала (
–
входное сопротивление каскада по
переменному току;
–
сопротивление нагрузки). При отсутствии
входного сигнала в схеме будут протекать
токи и установятся напряжения, показанные
на рис.1. Чтобы подчеркнуть, что эти
токи и напряжения характеризуют начальное
(невозмущённое) состояние схемы, им
приписан нулевой индекс.
Согласно законам Кирхгофа:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Данная система из шести уравнений содержит восемь неизвестных, таким образом, для определения токов и напряжений, соответствующих начальному состоянии схемы, необходимо добавить ещё два уравнения. Ими могли бы быть соотношения, связывающие токи, протекающие через транзистор и напряжения на его электродах. Однако эти зависимости имеют существенно нелинейный характер и обычно заданы графически (см., например, рис. 2 и 3). Поэтому и решение выполняется графическим методом.
Порядок расчёта при этом сводится к следующему:
1. На выходных
характеристиках транзистора (рис.2, б)
строится нагрузочная прямая
,
уравнение которой
(7)
связывает ток
коллектора с напряжением между коллектором
и эмиттером. Учитывая, что
,
(7, а)
Следовательно, координаты точек А и В:
.
2. По выходным характеристикам и нагрузочной прямой строится зависимость тока коллектора от тока базы (рис.2, а, кривая 1).
3. Находится
зависимость напряжения на эмиттере
транзистора
от тока базы. При этом задаются значениями
тока базы, по (рис.2, а, кривая 1) определяют
соответствующие этим токам базы токи
коллектора и по уравнению
рассчитывают напряжение на эмиттере
при данных токах базы (кривая 1, рис.4).
4. Строится
динамическая входная характеристика
транзистора
(рис.3),
которая связывает ток базы и напряжение
при
заданной величине
.
Для этого на семействе входных
характеристик транзистора (рис.3),
пользуясь координатами точек пересечения
линии нагрузки
и выходными характеристиками (рис.2, б),
строится динамическая входная
характеристика
с
учётом изменений напряжения
.
5. Находится
зависимость между током базы и напряжением
на базе
транзистора
(кривая 2, рис.4) учитывая, что последовательно
переходу база – эмиттер транзистора
(нелинейный элемент) включено сопротивление
(см.
рис.5, а). В этом случае участок база –
эмиттер – общий провод можно представить
некоторым нелинейным эквивалентным
сопротивлением (рис.5, б), вольт–амперную
характеристику (ВАХ) которого (кривая
2, рис.4) можно построить сложением
(кривая
1, рис.4) и входной характеристике
по
абсциссам.
а б
Рис.5
6. Строится ВАХ
участка база – общий провод с учётом
сопротивления
(рис.5,
б). Это сопротивление включено параллельно
эквивалентному сорпотивлению
,
представляющему цепь переход база –
эмиттер и
.
Поэтому общая эквивалентная характеристика
(кривая 4, рис.4) в данном случае находится
сложением токов в элементах (зависимости
2 и 3 , рис.4) для каждого значения напряжения
на базе транзистора. Прямая 3 на рис.4
изображает зависимость между током,
протекающим по
,
и напряжением, приложенным к нему.
7. Согласно уравнению
(4) строится зависимость напряжения на
базе транзистора от
(прямая 5, рис.4).
8. По точке пересечения
зависимостей 5 и 4 на рис.4 находятся
значения
и
,
а затем ( по найденному значению
и зависимостям 2 и 3 рис.4 )
и
.
9. На выходных
характеристиках рис.2, б находят точку
пересечения нагрузочной прямой
и
кривой, соответствующей значению
.
Координаты этой точки 0 и дают значения
начального тока коллектора
и начального напряжения на коллекторе
.
На этом анализ по постоянному току можно считать законченным, так как найдены все токи и напряжения в схеме при отсутствии сигнала на входе.
Анализ по переменному току рассматривать не будем.