“Исследование свойств модели резисторного каскада с общей

Лабораторная работа №2.

“ Исследование свойств модели резисторного каскада с общей

базой в частотной и временной областях на ПК”.

1. Цель работы:

Изучить свойства каскада с ОБ в режиме малого сигнала в частотной и временной областях. Исследовать свойства каскада при изменении сопротивления источника сигнала, нагрузки и элементов схемы. Исследования проводятся на компьютере с использованием программы “Fastmean”.

По определению, для включения транзистора с ОБ по сигналу, база должна быть присоединена к проводу, общему между входом и выходом схемы.

а) б)

Рис.1 Схема включения транзистора с ОБ

На рис.1,а наглядно видно, что транзистор включён с общей базой. Другое изображение транзистора с ОБ представлено на рис.1,б. Такое изображение транзистора позволяет рассматривать каскад с ОБ, как транзистор с ОЭ, охваченный ОС. В этой схеме транзистор охвачен параллельной по входу и последовательной по выходу отрицательной ОС (рис.2).

Рис.2 Структура ОС в каскаде с ОБ.

2. Подготовка к работе:

2.1. Изучить литературу: Учебник [1], конспект лекций по курсу “Основы схемотехники”.

2.2. Ознакомиться с указанием по использованию программы “Fastmean”.

2.3. Изучить п. 3 (основные сведения) настоящих методических указаний.

3. Основные сведения

Полная принципиальная схема каскада с ОБ представлена на рис.7.

Изучение свойств каскада необходимо разбить на две части:

3.1 Реализация точки покоя.

3.2 Исследование свойств каскада с ОБ по сигналу.

Каждая часть состоит из пунктов, которые подробно рассмотрены далее.

Часть 3.1 Реализация точки покоя состоит из пяти пунктов:

3.1.1 Расчет сопротивлений резисторов цепей питания.

3.1.2 Расчет элементов модели транзистора.

3.1.3 Составление эквивалентной модели каскада по постоянному току.

3.1.4 Вычисление на “Fastmean” тока покоя коллектора I_0К.

3.1.5 Построение нагрузочной прямой по постоянному току.

Последовательность действий для реализации точки покоя.

3.1.1 Расчет резисторов цепей питания транзистора.

Положение точки покоя (исходной рабочей точки) в активной области выходных статических характеристик транзистора определяется резисторами R_Б1, R_Б2, R_К, R_Э, а также напряжением источника питания Е₀ (рис.2 ). Цепи питания транзистора определяются способом подачи смещения, а не способом его включения на переменном токе.

Заданными являются: напряжение источника питания E₀, ток покоя коллектора I_0К и тип транзистора.

Рис.3 Схема каскада по постоянному току

Задаём значение = 0.1Е₀ и вычисляем: .

I_OБ = I_ОК/h₂₁ ; = + ;

= ; = ; = ,

где I_OБ = I_ОК/h₂₁ ; = + ; = ; U_К= + ; U_0К = = ; = ;

H₁₁=U_БЭ/I_ОБ

При этом выбираем = /2; = ; =0.6 В - для кремниевых транзисторов при небольших токах коллектора. Далее, необходимо выбрать значения резисторов по номинальному ряду (Табл. 1).

В табл.1 приведён натуральный ряд значений резисторов, изготовляемых с точностью 20% (столбцы Е6), 10% в столбцах Е12 и 5% в столбцах Е24.

Табл.1

E 6	E 12	E 24	E 6	E 12	E 24	E 6	E 12	E 24
1,0 1,5	1,0 1,2 1,5 1,8	1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0	2,2 3,3	2,2 2,4 2,7 3,3 3,9	2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3	4,7 6,8	4,7 5,6 6,8 8,2	4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

3.1.2 Расчёт элементов модели транзистора

Поскольку биполярный транзистор управляется током базы, целесообразно

рассматривать его как источник тока, управляемый током (ИТУТ) рис. 4.

Рис. 4 Модель биполярного транзистора для постоянного тока. (ИТУТ)

Параметры модели вычисляют из следующих выражений: Н₁₁= U_БЭ/I
_0Б,

.

3. 1.3 Составление эквивалентной схемы каскада по постоянному току

Заменив транзистор эквивалентной моделью, составим эквивалентную схему каскада (рис.5)

Рис. 5 Эквивалентная схема каскада по постоянному току.

3.1.4 Вычисление на Fastmean тока покоя транзистора I_0К.

Введём эквивалентную схему каскада (Рис.4) в компьютер и вычислим I_0К.

Результат расчёта сводим в таблицу 2.

Табл.2

параметр	RБ1	RБ2	RK	RЭ	h21	E0	I0К
единица изм.	кОм	кОм	кОм	кОм		В	мА
расчёт
на Fastmean

Сравнить результаты предварительного расчёта и на компьютерного.

3.1.5 Построение нагрузочной линии по постоянному току.

По полученным результатам построить нагрузочную линию по постоянному току (рис. 6) и отметить на ней точку покоя А.

Рис. 6. Нагрузочная линия постоянному току

Часть 3.2. Исследование свойств каскада ОБ в частотной и временной

областях

На рис.7 показана принципиальная схема каскада с ОБ. Переменная составляющая сигнала поступает на эмиттер транзистора через конденсатор С_Р1, а передаётся в нагрузку (из коллектора) через конденсатор С_Р2. Конденсатор С_Б соединяет базу с общим проводом. В соответствующем частотном диапазоне его сопротивление переменному току практически равно нулю, поэтому напряжение на базе по сигналу практически равно нулю и схема соответствует включению рис.1.

Рис.7 Принципиальная схема каскада с ОБ

Исследование состоит из пяти пунктов:

3.2.1 Расчет элементов модели транзистора для переменного тока

3.2.2 Составление эквивалентной схемы каскада ОБ.

3.2.3 Вычисление функций с помощью Fastmean.

- амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и её параметров:

- К_СКВ - сквозной коэффициент усиления на средней частоте в дБ, - частота нижнего

среза, - частота верхнего среза

- переходной характеристики (ПХ): t_Н - время нарастания, D - спад вершины импульса при

заданной длительности импульса t_И.

3.2.4 Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений сопротивлений источника сигнала R_1И и

нагрузки R_2Н (рис.7).

3.2.5 Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений емкостей разделительных и блокировочного

конденсаторов С_р1, C_р2, C_Б (рис.7).

3.2.6 Построение нагрузочной линии по сигналу

Рассмотрим п. 3.2.1 – 3.2.6 подробнее:

3.2.1 Расчёт элементов модели транзистора по сигналу.

Выбор модели транзистора по сигналу ИТУТ основан на ранее использованной модели

рис.5 с добавлением к ней частотно-зависимых элементов (модель Джиаколетто) (рис.8).

Для расчета элементов модели необходимо взять из справочника следующие параметры

транзистора: τ ос - постоянная времени цепи обратной связи; Ск - емкость коллекторного

перехода; модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте f; h_21Э max,

h_21Э min – максимальный и минимальный статические коэффициенты передачи тока

схемы ОЭ.

Рис.8 Эквивалентная модель биполярного транзистора для сигнала.

Тогда r_б¢б, r_б¢э, h₂₁, S, C_б¢э будут вычислены из выражений:

; ; ;

; h₁₁= r_б'б + r_б'э; = ; = ×f, где - частота единичного усиления (h₂₁=1), а = , причём

k = 1.38× Дж/ - постоянная Больцмана;

T - Температура в градусах Кельвина; q = 1.6× Кл – заряд электрона.

Значит = (мВ). При комнатной температуре .

3.2.2 Составление эквивалентной схемы каскада ОБ.

Эквивалентную схему каскада с ОБ получаем, заменив в принципиальной схеме рис.7 транзистор V1 его эквивалентной моделью (рис.8) и закоротив источник питания Е₀. Тогда эквивалентная схема каскада ОБ примет вид рис. 9.

Рис. 9. Эквивалентная схема каскада с ОБ.

Результаты расчётов всех элементов схемы (рис.9) свести в табл.3.

Табл.3

е1

R1И

Ср1

СБ

Rб

rб'б

rб'э

Сбэ

СК

h21

RЭ

RК

Ср2

R2Н

мВ

кОм

мкФ

мкФ

кОм

Ом

Ом

пФ

пФ

Ом

кОм

мкФ

кОм

0.1

1.0

10.0

1.0

3.2.2 Расчет функций АЧХ и ПХ с помощью Fastmean

Перед работой на компьютере желательно выполнить предварительный расчёт К_СКВ на средней частоте

Введя в компьютер полученную схему (рис.9), можем исследовать АЧХ и ПХ каскада с ОБ.

Для определения параметров АЧХ (, и К_СКВ) необходимо подать на вход гармонический сигнал e_1m=5мВ, придать конденсаторам C_p1, C_p2, C_Б значения из табл.3 Значения других элементов также берём из табл. 3. В диалоговом окне выбираем диапазон исследуемых частот, для частотной оси устанавливаем логарифмический масштаб. Рекомендуем пользоваться двумя АЧХ: простым отношением mag(U(2)/U(1)) и в децибелах - db (mag(U(2)/U(1))).

Для вычисления параметров ПХ (t_Н -время нарастания и D- процент спада вершины импульса) необходимо подать на вход схемы импульс с амплитудой e₁m = +5мВ, f=10…20кГц. Время нарастания t_Н вычисляется при подборе конечного времени tкон, удобного для измерения. Спад вершины необходимо измерять при длительности импульса t_И, заданной в табл.4. Результаты расчетов занести в табл. 4.

Табл. 4.

N п.п.	I0К	КСКВ	fн	fв		D	Примечание
мА	дБ	кГц	МГц	нс	%	tИ=25 мкс, tИ=1250 мкс

Примечание: Под параметром К_СКВ понимается сквозной коэффициент передачи К_СКВ=20lg(U(R_2Н)/е₁) на средней частоте. Все остальные параметры АЧХ и ПХ соответствуют своим определениям.

Сравнить результаты предварительного расчёта и расчёта на Fastmean.

3.2.4 Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений сопротивлений источника сигнала R_1И и сопротивления нагрузки R_2Н (рис 7).

Необходимо произвести вычисление АЧХ и ПХ при следующих изменениях R_1И и R_2Н

(табл. 5). При этом значения всех остальных элементов схемы должны соответствовать току покоя I_0К табл.3. Результаты расчёта свести в таблицу 5.

Табл. 5.

N п.п.	R1И	R2Н	КСКВ				D	Примечание
кОм	кОм	дБ	кГц	МГц	мс	%
	0,1							tИ=25 мкс, tИ=1250 мкс
	0,5
	0,1	0,5
	0,5	0,5

Сравнить влияние изменений R_1И и R_2Н на параметры АЧХ и ПХ и сделать вывод.

3.2.5 Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений разделительных конденсаторов С_p1, C_р2 (рис. 9)

Необходимо произвести вычисление АЧХ и ПХ при значениях ёмкостей конденсаторов равных 1.0 мкФ и 0.1 мкФ. При этом значения остальных элементов схемы рис. 9 соответствуют табл. 3. Результаты внести в табл. 6.

Табл. 6.

N п.п.	Ср1=Ср2	КСКВ				D	Примечание
	мкФ	дБ	кГц	МГц	нс	%
	1.0						tи=25мкс, tи=1250мкс, СБ=10мкФ
	0.1

Сравнить результаты измерений и сделать вывод.

3.2.6 Построение нагрузочной линии по сигналу

Для определения амплитуды максимально - допустимого выходного напряжения

U_{2m max} необходимо построить нагрузочную прямую по сигналу, проходящую через

точку покоя А. Полагая, что максимальная неискажённая амплитуда выходного тока

i_{к max} равна току покоя I_ОК, амплитуду выходного напряжения получим равной

U_{2m max} = i_{к max} R_Н, где R_Н = R_К║ R_2Н .

Рис. 10. Нагрузочная линия для переменного тока

Рис. 10 повторяет рис.6, на котором определена точка покоя А. Отложим на этом рисунке по горизонтальной оси напряжение, равное U_ОК+ U_{2m max} (точка В). Соединив точки А и В прямой, получим нагрузочную линию по сигналу для данной точки покоя.

Общий вывод.

---

Дата добавления: 2015-08-29