Санкт-Петербургский Государственный
Электротехнический Университет «ЛЭТИ»
Кафедра МИТ
Отсчёт к лабораторной работе №5
по дисциплине
«Электрические Цепи и Микросхемотехника»
Тема:
«Исследование простейшей схемы стабилизации рабочей точки транзисторного усилителя»
|
Выполнил: Студент: Проверил: |
Серков Ф. Б. гр. 1202 Холуянов К. К. |
Санкт-Петербург
2004
Цель работы: провести сравнительный анализ простейшего транзисторного усилителя с транзисторным усилителем, обладающим элементами температурной стабилизации.
1. Формулировка задания
На электрической схеме (рис. 1) изображены два транзисторных усилителя, один из которых (справа) содержит элементы температурной стабилизации.
Усилитель
№1
Усилитель №2
Рис. 1. Схема, содержащая два транзисторных усилителя.
Для каждого транзисторного усилителя необходимо задать положение рабочей точки, таким образом, чтобы в последствии сравнить влияние температуры на выходные сигналы усилителей.
1. Расчёт первого усилителя
Для определения номиналов элементов и параметров источников, необходимо задать положение рабочей точки. В данной лабораторной работе в схемах усиления используется модель отечественного транзистора КТ815б, характеристики которого были получены при выполнении предыдущей лабораторной работы. Для выбора рабочей точки удобно использовать выходные характеристики этого транзистора (рис. 2).
,
А
2
мА 4
мА 5
мА 3
мА
=
10 Вт В
=
1 мА
,
В
Рис. 2. Выходные характеристики транзистора КТ815б.
При выборе рабочей точки, автор колебался между током базы равным 3 мА и 2 мА. На рис. 2 изображены две прямые (а) и б)), которые можно было использовать в этой лабораторной работе. Прямая а), соответствует напряжению питания (VCC) 200 В, прямая б) – 100 В. Этим величинам соответствуют следующие значения коллекторного напряжения (из стандартных рядов номиналов элементов) 1 кОм и 330 Ом.
В конце концов, выбор остановился на токе базы равном 2 мА, посредством ниже приводимых рассуждений.
Глядя на рис. 2 можно заключить, что неэквидистантность кривых, соответствующих малым токам базы менее ярко выражена, чем неэквидистантность кривых, соответствующих малым токам базы. Это значит, что при рабочем токе базы равном 2 мА выходной сигнал будет менее подвержен нелинейным искажениям, чем при рабочем токе 3 мА. Это первое преимущество.
Второе преимущество, выбора более меньшего значения тока базы заключается в том, ему соответствует больший коэффициент усилителя входного сигнала. Сказанное хорошо иллюстрируется зависимостями напряжения на выходе (Out_1) от тока базы, которые изображены на рис. 3 для оговорённых выше значений коллекторных сопротивлений и напряжений питания схемы.
,
В
,
В
|
Вариант б) |
Вариант а) |
,
А
,
А
Рис. 3. Зависимости напряжения на выходе от тока базы.
Как видно из рис. 3 кривая, соответствующая варианту а) действительно «линейнее» и «чувствительнее» ко входному сигналу.
Итак, напряжение питание, задаваемое источником постоянного напряжения VCC равно 200 В. Соответствующее ему коллекторное сопротивление RC1 1 кОм. Ток базы 2 мА. Таким образом, зададим постоянную составляющую источника переменного тока I1 равную 2 мА. Переменную составляющую зададим, исходя из рис. 3 а), равную 0,5 мА, при этом максимально значение коллекторного напряжения не будет достигать критического 50 В (предельно допустимое напряжение для транзистора марки КТ815б).
Построим временные зависимости тока базы и выходного напряжения для рассчитываемого усилителя (рис. 4).
3. Расчёт второго усилителя
Естественно для того, чтобы сравнить температурную стабильность усилителей, они должны при комнатной температуре (по договорённости) обладать одинаковыми усилительными характеристиками, т.е. при одних и тех токах базы транзисторов этих усилителей на выходе должны возникать одинаковые значения напряжения (коллекторного напряжения).
Это достигается, если удовлетворить следующие два требования: первое, коллекторное сопротивление второго усилителя взять такое же, как у первого; второе, добиться, посредством подбора параметров источника переменного напряжения V1 и номинала сопротивления R1, того чтобы ток базы транзистора второго усилителя «вёл себя» аналогично току базы транзистора первого усилителя. Разумеется, полное совпадение недостижимо.
t,
с t,
с
,
А
,
В
Рис. 4. Временные зависимости тока базы и выходного напряжения для первого усилителя.
Первоначально была подобрана амплитуда сигнала переменного источника напряжения V1, таким образом, чтобы размах тока базы транзистора усилителя №2 был идентичен размаху тока базы транзистора усилителя №1 – 10 мВ. Отметим, что частота переменных источников равняется 10 кГц.
Затем было подобрано значение сопротивления R1 – 12 кОм. Подбор параметров элементов схем удобно проводить в программе MicroCap с помощью метода Stepping. Получили следующие результаты (рис. 5).
t,
с t,
с 2 1 2 1
,
В
,
А
Рис. 5. Сравнение поведения во времени токов баз, используемых в схемах усиления транзисторов и напряжений на выходе этих усилителей.
Сдвиг фаз, наблюдаемый на рис. 5, обязан своим происхождением, реактивному (инерционному) элементу C1 – ёмкости, которая осуществляет разрыв по постоянному току базы транзистора от земли. При большом желании этот сдвиг фаз можно было бы убрать путём изменения фазы сигнала источника переменного напряжения V1.
4. Исследование влияния температуры
Содержание данного раздела лабораторной работы, воплощено в зависимостях, изображённых на рис. 6.
,
А
t,
с t,
с t,
с t,
с -
60
,
А
,
В
,
В
Рис. 6. Влияние изменения температуры на токи баз и выходные напряжения (сверху вниз –60, 27, 125 оС).
Из этого рисунка становится ясно, что второй усилитель обладает температурной стабильностью. Действительно, на входе первого усилителя стоит идеальный источник тока, сигнал которого не зависит от температуры. На выходе этого усилителя наблюдается весьма ощутимый «температурный разброс» выходного напряжения. Это происходит вследствие температурной зависимости транзистора, как полупроводникового устройства.
Схема второго усилителя, устроена таким образом, что при изменении температуры, происходит перераспределение тока межу коллекторным переходом и резистором R1, вследствие чего потенциал коллектора обладает меньшей подвижностью при изменении температуры. (На языке большой науки это явление трактуется посредством отрицательной обратной связи, организующейся в самоуравновешивающихся системах).
5. Дополнения
1) Несколько слов о частотных характеристиках рассмотренных усилителей. Так как эти схемы включают в свой состав транзисторы, очевидно, что на высоких частотах они не будут пропускать входной сигнал (ограничение временем пролёта базы). Следовательно, АЧХ обоих схем будут заваливаться при больших частотах. А при низких частота будет заваливаться только АЧХ второго усилителя из-за конденсатора C1.
АЧХ изображены на рис. 7. Более большее значение верхней частоты среза второго усилителя по сравнению с первой объясняется наличием обратной отрицательной связи, которой охвачен второй усилитель.
2) Коэффициент усиления второго усилителя «на глаз» равно 3000!
1 2
,
Гц
Рис. 7. АЧХ исследуемых схем усиления.
Вывод
В настоящей лабораторной работе было проведено сравнение температурной стабильности транзисторных усилителей, схемы которых изображены на рис. 1. В результате чего был установлено, что второй усилитель обладает температурной стабильность в отличие от первого, что достигается введением дополнительных элементов.
В результате проведения этой лабораторной работы был получен полезный опыт задания рабочей точки усилителя. А также применён на практике инженерный подход к расчёту параметров электрических схем, который заключается в подборе номиналов варьируемых элементов с целью достижения необходимых результатов.
Как видно по рис. 4 и 5 рассмотренные усилители вносят в выходной сигнал заметные нелинейные искажения. Анализируя рис. 3 можно заключить, что при выборе рабочей точки, соответствующей варианту б), вносимые искажения были бы ощутимее.
Если бы в настоящей лабораторной работе рассматривалась работа усилителей в мало сигнальном режиме, то вносимыми нелинейными искажениями можно было бы вовсе пренебречь, но при этом коэффициенты усиления составлял бы десятки-сотни единиц.
И последнее, преимуществом второй схемы усилителя перед первой является её работоспособность при больших частотах входного сигнала по сравнению с первой. Преимущество которой – работоспособность на низких частотах.