Исходные данные для расчета

№ варианта	Тип БТ	, кОм	, мВ	S	, В
	КТ315Г	2,5		0,1
	КТ337Б	5,0		0,2
	КТ342А	6,2		0,1
	КТ347А	7,0		0,3
	КТ349Б	4,8		0,1
	КТ358Б	7,5		0,2
	КТ361Г			0,4
	КТ3102Г			0,3
	КТ3107Г	3,6		0,4
	КТ3117А	4,0		0,2

1.1. По заданному сопротивлению нагрузки с использованием соотношения (6.16) выбрать сопротивление резистора .

1.2. Пользуясь выражениями (6.32), (6.34), (6.36), (6.4), определить рабочую точку БТ.

1.3. На семействе выходных ВАХ БТ отметить положение рабочей точки и построить нагрузочную прямую по постоянному и переменному току; определить максимальную амплитуду напряжения неискаженного выходного сигнала.

1.4. По семейству входных ВАХ БТ в рабочей точке определить значение параметра .

1.5. Пользуясь выражениями (6.37)–(6.42), рассчитать элементы принципиальной схемы усилителя.

1.6. Пользуясь выражениями (6.11) и (6.14), рассчитать коэффициенты усиления по напряжению и мощности и определить амплитуду напряжения и мощность выходного сигнала по заданной амплитуде напряжения входного сигнала.

1.7. Свести результаты расчета в таблицу.

Письменно ответить на следующие контрольные вопросы:

1. Назовите основные требования к цепям питания БТ в различных схемах включения.

2. Поясните недостатки схем смещения фиксированным током и фиксированным напряжением базы.

3. Как правильно выбрать положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора?

4. Опишите порядок построения нагрузочной прямой по постоянному и переменному току.

5. Объясните принцип действия эмиттерной и коллекторной стабилизации режима покоя усилителя.

6. Поясните порядок расчета элементов схем температурной стабилизации усилителей.

7. От выбора каких параметров транзистора и элементов схемы зависит величина амплитудных значений токов и напряжений в нагрузке.

8. Как изменяются параметры усилителей при неправильном выборе положения рабочей точки?

9. Какие из параметров биполярных транзисторов наиболее сильно зависят от температуры?

10. Какими параметрами ограничена область дозволенных режимов работы биполярных транзисторов.

11. Назовите основные причины нестабильности параметров транзисторных усилителей.

12. Как влияет изменение температуры на ВАХ БТ и положение рабочей точки в схеме с фиксированным током базы?

13. Каким уравнением описывается нагрузочная прямая по постоянному току?

14. Какие функции выполняют разделительные конденсаторы?

15. Из каких соображений выбирается сопротивление нагрузки?

16. Что такое рабочая точка активного элемента?

Контрольная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ СХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Цель занятия

1. Изучить принцип действия, основные характеристики и параметры электронных ключей на БТ.

2. Выполнить инженерный расчет насыщенного ключа на БТ.

3. С помощью пакета OrCAD провести анализ спроектированного ключа и исследовать влияние элементов схемы на его основные параметры.

Краткие теоретические сведения

Электронными ключами называют электронные схемы, предназначенные для замыкания и размыкания электрических цепей под воздействием внешних управляющих сигналов. В качестве ключевых элементов таких схем могут быть использованы полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры и т.д. Независимо от схемных решений и типа используемого ключевого элемента любой электронный ключ характеризуется рядом статических и динамических параметров.

Статические параметры электронных ключей (параметры установившегося режима) наиболее полно характеризуются передаточной характеристикой — зависимостью величины выходного напряжения или тока от величины входного напряжения (тока). Обычно используется передаточная характеристика, определяющая зависимость выходного напряжения ключа от входного .

Динамические параметры электронного ключа определяются скоростью протекания переходных процессов, возникающих в схеме при подаче на вход ключа прямоугольного импульса напряжения или тока. Поэтому динамические параметры ключа называют еще параметрами быстродействия.

Принципиальная схема электронного ключа на БТ с ОЭ показана на рис. 8.1, а. В исходном состоянии при или БТ закрыт, т.е. работает в режиме отсечки. Для уменьшения остаточного тока коллектора до величины обратного тока коллекторного перехода на базу транзистора через резистор подается запирающее напряжение , которое выбирается из условия

, при . (8.1)

При использовании в качестве активного элемента кремниевых транзисторов, имеющих малое значение тока , и непосредственной связи ключа с источником сигнала дополнительный источник напряжения можно исключить. Управление транзистором происходит при подаче на вход ключа (рис. 8.1, а) импульса положительной полярности.

Передаточная характеристика ключа рассчитывается графоаналитическим методом с использованием семейств входных при и выходных при характеристик транзистора. Для этого принципиальную схему ключа приводят к эквивалентной, показанной на рис. 8.1, б, где

, (8.2)

. (8.3)

На семействе выходных ВАХ БТ, как показано на рис. 8.2, а, строится нагрузочная прямая, описываемая уравнением

. (8.4)

По координатам точек пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками, соответствующими токам базы , определяются значения напряжения коллектор — эмиттер, которое является выходным . Далее по входной характеристике БТ при для тех же значений тока базы находятся соответствующие напряжения база-эмиттер , как показано на рис. 8.2, б. Входное напряжение рассчитывается согласно выражению

. (8.5)

По известным парам значений напряжения строится передаточная характеристика, показанная на рис. 8.2, в. Форма характеристики зависит от параметров элементов электронного ключа. На передаточной характеристике можно выделить три характерных участка, которые разграничены точками, соответствующими входному пороговому напряжению нуля и единицы .

При ключ закрыт (транзистор находится в режиме отсечки), на выходе высокий (единичный) уровень напряжения:

. (8.6)

Входной ток при этом, поскольку , определяется выражением

. (8.7)

Пороговое напряжение нуля — значение входного напряжения, при котором БТ переходит из режима отсечки в активный режим работы, и рассчитывается по формуле

, (8.8)

где — пороговое напряжение база-эмиттер БТ. Для кремниевых транзисторов можно принять .

а б Рис. 8.20

а б в Рис. 8.21

При транзистор находится в активном режиме. При этом выходное напряжение линейно зависит от входного:

. (8.9)

Коэффициент передачи K определяется усилительными свойствами БТ:

, (8.10)

где — статический коэффициент передачи по току БТ с ОЭ; — входное сопротивление БТ с ОЭ.

На участке усиления для входного тока ключа справедливо выражение

. (8.11)

При на выходе низкий (нулевой) уровень напряжения, который определяется напряжением коллектор-эмиттер насыщения:

. (8.12)

Пороговое напряжение единицы соответствует входному напряжению, при котором БТ из активного режима работы входит в режим насыщения

. (8.13)

Ток базы насыщения, соответствующий этой точке, определяется выражением

. (8.14)

Коллекторный ток БТ в этой точке достигает максимального значения

. (8.15)

При дальнейшем росте ток базы растет, однако коллекторный ток практически не изменяется. Степень насыщения БТ определяется коэффициентом насыщения, который рассчитывается по формуле

, (8.16)

где — ток базы при максимальном значении входного напряжения. Если , то ключ насыщенный.

Для повышения КПД электронного ключа необходимо, чтобы транзистор в нем надежно насыщался, в этом случае на открытом БТ будет рассеиваться минимальная мощность, а значит, будут минимальными потери. Поскольку значения параметра имеют существенный разброс для партии БТ конкретного типа, достигающий порой сотен процентов, то для надежного насыщения БТ в ключе без подбора транзисторов необходимо при расчете ключа принимать значение коэффициента насыщения . Следует помнить, что чрезмерное увеличение S снижает быстродействие ключа.

Быстродействие транзисторного ключа (параметры быстродействия) зависят от параметров используемого транзистора, номинальных значений элементов схемы, сопротивления нагрузки и ее характера. Диаграммы напряжений и токов, действующих в транзисторном ключе, при подаче на вход прямоугольного импульса показаны на рис. 8.3. На них указаны временные интервалы, определяющие количественно параметры быстродействия ключа.

На интервале времени происходит нарастание коллекторного тока и уменьшение выходного напряжения ключа. Коллекторный ток не может измениться мгновенно, что обусловлено конечным временем пролета носителей через базу БТ и перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода. Этот промежуток времени называется временем включения и рассчитывается по формуле

, (8.17)

где — постоянная времени включения, определяется выражением

, (8.18)

; . (8.19)

На промежутке времени при действии максимального входного напряжения коллекторный ток транзистора и выходное напряжение ключа не изменяются, в базе происходит накопление неосновных носителей заряда.

Рис. 8.22

В течение промежутка под действием отрицательного входного напряжения происходит рассасывание накопленных в базе носителей. При этом транзистор все еще находится в режиме насыщения, коллекторный ток и выходное напряжение соответствуют этому режиму и не изменяются. Наблюдается обратный бросок тока базы . Данный промежуток называется временем задержки выключения и определяется следующим выражением:

, (8.20)

где — запирающий ток базы.

Если , то . При время задержки выключения определяется как

. (8.21)

После рассасывания неосновных носителей в базовой области ток коллектора уменьшается — транзистор закрывается. Интервал времени , в течение которого происходит уменьшение коллекторного тока, называется временем спада:

. (8.22)

Суммарное время называется временем выключения. В случае, если , время нарастания коллекторного напряжения может превысить время спада:

. (8.23)

Порядок расчета элементов принципиальной схемы электронного ключа на БТ. Обычно в инженерной практике исходными данными при расчете ключевых схем являются значения напряжений питания , ; сопротивление нагрузки ; амплитуда выходного напряжения ; параметры входного сигнала и ; коэффициент насыщения транзистора S. В этом случае рекомендуется следующий порядок расчета.

1. По заданным значениям и из (8.2) с учетом (8.6) рассчитывается сопротивление резистора и величина .

2. Рассчитываются значения тока коллектора и базы , , соответствующие режиму насыщения, а также значение тока базы при максимальном значении входного напряжения .

3. Сопротивление резистора находится согласно выражению

, (8.24)

полученному путем вычитания (8.8) из (8.13). Сопротивление резистора находится согласно (8.8).

Порядок выполнения задания

1. Провести инженерный расчет элементов принципиальной схемы насыщенного ключа на БТ и его параметров. Исходные данные для расчета приведены в табл. 8.1. Для всех вариантов задания одинаковы следующие исходные данные: длительность импульса , период повторения , минимальный уровень входного импульса . Амплитуда напряжения входного импульса определяется величиной порогового напряжения единицы .

1.1. Согласно описанному алгоритму провести расчет сопротивления резисторов , и принципиальной схемы ключа (см. рис. 8.1).

1.2. Пользуясь семействами входных и выходных ВАХ БТ, построить передаточную характеристику ключа . Определить значения параметров , , , .

1.3. Рассчитать параметры быстродействия ключа , , , .

1.4. Результаты расчета свести в таблицу.

1.5. Сформулировать выводы по работе и ответить письменно на контрольные вопросы

Контрольные вопросы

1. Какие устройства называют электронными ключами?

2. Каково напряжение на выходе ключа в закрытом и открытом состояниях?

3. Опишите принцип действия электронных ключей на БТ, их недостатки и требования к идеальному ключу.

4. Поясните порядок построения передаточной характеристики ключа на БТ.

5. В ключе (см. рис. 8.1,а) под действием входного напряжения транзистор находится на границе режима насыщения. Как изменится режим работы транзистора, если увеличить сопротивление резистора R2?

6. Приведите статические и динамические характеристики электронных ключей.

7. Параметры каких элементов определяют быстродействие электронных ключей на БТ.

8. Как влияют параметры БТ на быстродействие ключа?

9. Как влияют элементы схемы ключа на его передаточную характеристику?

10. Опишите способы повышения быстродействия ключей на БТ.

11. Как влияет емкость нагрузки на быстродействие ключа?

12. Как изменится время спада ключа (см. рис. 8.1,а), если увеличить сопротивление резистора ?

Приложение

Таблица 8.1

Исходные данные для расчета

№ вар.	Тип БТ	, В	, В	, кОм	S	, В	, В	, В	, нФ
	КТ315Г			2,5			0,5		0,1
	КТ337Б			5,0					0,2
	КТ342А			6,2					0,05
	КТ347А			7,0					0,3
	КТ349Б			4,8			1,5		0,1
	КТ358Б			3,8					0,15
	КТ361Г			10,0			0,5		0,05
	КТ3102Г			8,2					0,1
	КТ3107Г			3,6			0,5		0,2
	КТ3117А			4,0					0,25

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДИНОЧНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Цель работы

1. Изучить характеристики и параметры усилительных каскадов, а также режимы работы и способы задания рабочей точки активных элементов в усилителях.

2. Экспериментально исследовать основные характеристики и параметры одиночных усилительных каскадов.

Краткие теоретические сведения

Усилителем электрических сигналов называется устройство, предназначенное для усиления мощности сигнала, поданного на его вход. Процесс усиления основан на преобразовании активным элементом (биполярным, полевым транзистором) энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения на нагрузке при изменении сопротивления активного элемента под действием входного сигнала.

Усилители сигналов являются базовыми устройствами для построения сложных аналоговых электронных устройств. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения: с общей базой или общим затвором (ОБ или ОЗ); с общим эмиттером или общим истоком (ОЭ или ОИ); общим коллектором или общим стоком (ОК или ОС). Работа усилительных устройств описывается рядом параметров и характеристик.

Коэффициент усиления или коэффициент передачи – отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. Сигнал может описываться напряжением, током или мощностью, поэтому различают:

коэффициент усиления по напряжению К_u = U_вых/U_вх;

коэффициент усиления по току К_i = I_вых/I_вх;

коэффициент усиления по мощности К_р = Р_вых/Р_вх.

Для многокаскадных усилителей коэффициент усиления определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов, выраженных в абсолютных единицах:

К_u = К_u1 К_u2 ¼ К_un (раз) или суммой коэффициентов усиления, выраженных в децибелах:

К_u = К_u1 + К_u2 + ¼ +К_un (дБ).

Входное сопротивление усилителя (полное Z_вх или резистивное R_вх) представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя и определяется отношением входного напряжения ко входному току . Характер входного сопротивления зависит от диапазона усиливаемых частот.

Выходное сопротивление (полное Z_вых или резистивное R_вых) определяют между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки .

Коэффициент демпфирования – отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению К_д = R_н/R_вых. Для усилителей высшего класса он лежит в пределах от 10 до 100.

Выходная мощность – мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений .

Коэффициент полезного действия – отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания h = (Р_вых/Р_п)100 %.

Чувствительность (номинальное входное напряжение) – напряжение, которое нужно подать на вход усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению D = U_{вх макс}/U_{вх мин}.

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) – разность между верхней и нижней граничными частотами Df = f_в – f_н, в которой коэффициент усиления усилителя изменяется по определенному закону с заданной точностью.

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) определяет нелинейные искажения усилителя в процентах

,

где P₁, P₂, ¼, P_n – мощности гармонических составляющих выходного сигнала (nf₁) при синусоидальном входном сигнале с частотой f₁. Источником нелинейных искажений является нелинейность вольт-амперных характеристик (ВАХ) активных элементов усилителя.

Линейные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Линейные искажения бывают трех видов: частотные, фазовые и переходные.

Амплитудная характеристика (АХ) – это зависимость амплитуды (или действующего значения) первой гармоники выходного напряжения от амплитуды (или действующего значения) гармонического синусоидального сигнала на входе устройства (рис. 1). Для идеального усилителя АХ линейна и проходит через начало координат (штриховая линия), наклон характеристики к оси абсцисс определяется коэффициентом усиления .

Отличие реальной АХ от идеальной обусловлено влиянием помех (шумы усилителя, наводки, фон и т.д.), что приводит к наличию напряжения на выходе при отсутствии напряжения сигнала на входе. АХ реального усилителя становится нелинейной при превышении входного напряжения значения U_{вх макс}, что обусловлено нелинейностью ВАХ активного элемента. По АХ легко определить динамический диапазон усилителя.

Минимальным значением входного сигнала следует считать такой входной сигнал, при котором выходной сигнал в два раза превышает уровень шумов на выходе усилителя. Максимальное значение входного сигнала ограничивается допустимыми нелинейными искажениями выходного сигнала.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет зависимость модуля коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала на входе усилителя. На рис. 2 представлена типичная АЧХ апериодического (нерезонансного) усилителя.

В области низких частот на ход АХЧ влияют разделительные и блокировочные конденсаторы в цепях усилителя. На высоких частотах влияние оказывают частотные свойства транзисторов, емкости монтажа и комплексный характер сопротивления нагрузки. Частоты на которых коэффициент усиления уменьшается в раз по сравнению с усилением на средних частотах определяют нижнюю f_н и верхнюю f_в границы частотного диапазона усиления и называются граничными частотами.

Измерение АЧХ проводят при фиксированном уровне входного сигнала, соответствующем линейному участку АХ, обычно U_вх = (0,1...0,3)U_{вх макс}. Часто используется логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ), по оси частот которой используется логарифмический масштаб (десятикратному изменению частоты – декаде – соответствуют равные геометрические отрезки).

Переходная характеристика (ПХ) устанавливает зависимость мгновенного значения напряжения на выходе усилителя от времени при бесконечно быстром скачкообразном изменении входного сигнала. ПХ оценивает искажения усиливаемых импульсных сигналов, которые обусловлены реактивными элементами схемы усилителя.

На рис. 3 представлена ПХ усилителя при подаче на вход прямоугольного импульса. В области низких частот (малых времен) передний фронт импульса выходного сигнала оказывается растянутым во времени и характеризуется временем установления t_уст. Время установления определяется временным интервалом, в течение которого выходное напряжение изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения U_уст. При усилении гармонического сигнала время установления связано с верхней граничной частотой следующей зависимостью: .

В усилительных каскадах при отсутствии входного сигнала во входной и выходной цепях устанавливаются определенные значения постоянных токов и напряжений, такой режим работы каскада называют статическим (режимом по постоянному току, режимом покоя). Значения постоянных составляющих токов и напряжений определяются напряжением источников питания и сопротивлением нагрузок во входной и выходной цепях активного элемента. Рабочая точка выбирается исходя из требуемого режима работы усилительного каскада.

Режим класса А. Рабочая точка покоя выбирается так, что входной сигнал полностью помещается на линейном участке входной характеристики, а значение тока покоя I_б0 располагается на середине этого участка (рис. 4). Рабочая точка на выходной характеристике задается напряжением .

Режим класса А характеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих ВАХ. В связи с этим нелинейные искажения сигнала минимальны (К_г £ 1 %), а КПД менее 50 %.

Режим класса В. Ток через транзистор протекает только в течение половины периода входного сигнала. Рабочая точка на ВАХ выбирается так, что ток покоя равен нулю (рис. 5). При этом входной ток имеет форму импульса с углом отсечки 90°.

Угол отсечки – половина части периода, выраженная в радианах или градусах, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток.

Для усиления другой полуволны входного сигнала используют еще один каскад (усилитель называется двухтактным). Режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (К_г £ 10 %), вследствие работы на нелинейных начальных участках ВАХ транзистора, а КПД лежит в пределах (60¼70 %).

Режим класса АВ. Используется для уменьшения нелинейных искажений. В режиме покоя транзистор приоткрыт, и через него протекает ток, равный 5¼15 % максимального тока при заданном входном сигнале (рис. 6). Угол отсечки достигает 120¼150°.

В режиме класса АВ в двухтактном каскаде происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада. Коэффициент нелинейных искажений уменьшается (К_г £ 3 %) и уменьшается КПД за счет малого входного тока покоя I_б0.

Существует несколько способов задания режима по постоянному току.

Схема с фиксированным током базы. Режим по постоянному току задается с помощью резисторов R_б, R_к и источника питания U_ип (рис. 7). Уравнение по второму закону Кирхгофа для входной цепи имеет вид

,

где U_бэ0» (0,3¼0,6) В (эмиттерный переход открыт), т.е. U_бэ0 << U_ип, поэтому ток в цепи базы I_б0» U_ип/R_б не зависит от параметров транзистора, а определяется параметрами входной цепи. Для выходной цепи уравнение по второму закону Кирхгофа имеет вид

.

С учетом связи I_к0» h_21Э I_б0 видно, что внешние элементы, задавая ток покоя базы I_б0, тем самым определяют ток покоя коллектора I_к0.

Схема с фиксированным напряжением база-эмиттер. В этой схеме (рис. 8) режим покоя обеспечивается фиксированным напряжением на базе U_бэ0 транзистора с помощью источника питания и делителя из резисторов R₁ и R₂, сопротивление которых определяется из выражений

; , где .

Тогда напряжение на базе транзистора , т.е. не зависит от параметров транзистора, а определяется только внешней цепью.

Недостатком рассмотренных схем задания рабочей точки является сильное влияние изменения температуры, параметров транзистора, напряжения питания на положение рабочей точки. При увеличении температуры обратный ток насыщения эмиттерного перехода I_эб0 и ток покоя базы I_б0 изменяются практически одинаково, что приводит к увеличению I_к0, а точка покоя перемещается в сторону режима насыщения. Использование в данных схемах транзисторов с параметрами, отличными от принятых при расчете, также приводит к сильному изменению рабочей точки. Для температурной стабилизации рабочей точки транзисторов усилительных каскадов используют обратные связи по постоянному току или напряжению.

Схема с коллекторной стабилизацией. На рис. 9 представлена схема с коллекторной стабилизацией, в которой резистор R_б подключается к коллектору транзистора с напряжением U_кэ0, тогда

.

При повышении температуры коллекторный ток должен увеличиваться, следовательно, коллекторное напряжение U_кэ0 уменьшается, а значит уменьшается ток базы I_б0, что должно привести к уменьшению коллекторного тока I_к0, т.е. рабочая точка стремится вернуться в исходное положение.

Схема с эмиттерной стабилизацией. Наиболее эффективной является схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки (рис. 10). Повышение температуры должно увеличить ток I_к0, что приведет к увеличению эмиттерного тока I_э0 = I_к0 + I_б0 и увеличению падения напряжения на резисторе R_э. Поскольку потенциал база транзистора U_б0 = U_R2 зафиксирован делителем напряжения R₁, R₂, то напряжение между базой и эмиттером U_бэ0 уменьшится

,

что приведет к уменьшению I_б0, а значит, ток коллектора I_к0 практически не изменится.

Наличие резистора R_э – резистора обратной связи – при отсутствии конденсатора C_э не только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет работу каскада по переменному току. Для схемы изменяющийся входной сигнал также является дестабилизирующим фактором. Переменная составляющая эмиттерного тока I_э~ создает на резисторе R_э падение напряжения, которое уменьшает переменное напряжение U_бэ~

,

что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада.

Методические указания по выполнению лабораторной работы

Исследование амплитудной характеристики усилителя проводится на фиксированной частоте входного сигнала (f = 1 кГц) с использованием измерительной установки, структурная схема которой представлена на рис. 11. При измерении напряжений входного и выходного сигналов необходимо помнить, что вольтметры переменного напряжения показывают действующее значение, а при использовании осциллографа можно измерять амплитудное значение переменного напряжения.

Исследование амплитудно-частотной характеристики проводится при фиксированном уровне входного сигнала, выбранном на линейном участке АХ U_вх @ (0,1…0,3)U_{вх макс} с использованием измерительной установки, структурная схема которой представлена на рис. 11. Для упрощения вычислений коэффициента усиления по напряжению желательно выбрать круглое значение амплитуды напряжения входного сигнала. Например: 1 мВ, 5 мВ, 10 мВ. Исследуемые усилительные каскады имеют полосу пропускания в несколько декад (декада – изменение чего-либо в десять раз, в данном случае частоты). Поэтому при построении графиков АЧХ необходимо по оси частот использовать логарифмический масштаб. При снятии АЧХ в области средних частот, где коэффициент усиления практически не изменяется, измерения необходимо проводить в трех…пяти точках на каждую декаду. Например: 100, 300, 500, 700 Гц; 1, 2, 3, 5, 7 кГц и т.д. Значения нижней и верхней граничных частот (f_н и f_в) необходимо определять по уменьшению коэффициента усиления в раз по сравнению с максимальным значением коэффициента усиления в области средних частот. Заключительным этапом исследования АЧХ является определение полосы пропускания усилителя Df = f_в – f_н.

Рис. 11

Измерение входного и выходного сопротивлений усилителя проводятся на фиксированной частоте входного сигнала (f = 1 кГц) при уровне входного сигнала, соответствующем линейному участку АХ. Измерительная установка собирается согласно структурной схеме, представленной на рис. 12.

Входное сопротивление R_вх измеряется косвенным методом. Добавочный резистор R на входе усилителя и входное сопротивление усилительного каскада R_вх образуют делитель напряжения, для которого можно записать

,

где U_г – напряжение на выходе генератора низких частот (до резистора R); U_вх – напряжение непосредственно на входе усилителя. Необходимо измерить напряжения U_г и U_вх, а входное сопротивление рассчитать по формуле

.

Рис. 12

Если R_вх усилителя велико и соизмеримо со входным сопротивлением вольтметра, измеряют выходное напряжение U_выхR при наличии R и при его отсутствии U_вых0. В этом случае входное сопротивление рассчитывается по формуле

.

Выходное сопротивление R_вых также измеряется косвенным методом, согласно которому проводятся измерения выходных напряжений U_вых1 и U_вых2 при двух известных сопротивлениях нагрузки R_н1 и R_н2 соответственно. Значение выходного сопротивления рассчитывается по формуле

.

Если R_н1 = ¥ (нагрузка отсутствует), то

.

Порядок выполнения работы

1. Исследовать основные характеристики и параметры усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ, рабочая точка которого задается фиксированным током базы.

1.1. Собрать усилительный каскад по схеме, приведенной на рис. 13. Установить номинальное напряжение питания усилителя U_ип = 10 В. Напряжение контролировать вольтметром постоянного тока, установленным на панели стенда.

1.2. При отключенном источнике входного сигнала измерить с помощью вольтметра постоянные напряжения U_кэ0 и U_бэ0. Рассчитать постоянные составляющие тока базы I_б0 = (U_ип – U_бэ0)/R_б и тока коллектора I_к0 = (U_ип – U_кэ0)/R_к, определить статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с ОЭ h_21Э = I_к0/I_б0.

1.3. Подключить измерительные приборы (генератор звуковых частот, осциллограф, вольтметр переменного тока) согласно схеме на рис. 11 и снять АХ усилителя на частоте синусоидального входного сигнала f = 1 кГц для двух значений сопротивления нагрузки R_н. Величину U_{вх макс} определять по началу видимых искажений (ограничению синусоиды) выходного сигнала U_вых, что легко контролируется визуально с помощью осциллографа. Рассчитать коэффициенты усиления по напряжению для линейного участка АХ и определить динамический диапазон усилителя.

1.4. Снять АЧХ усилителя для двух значений сопротивления нагрузки R_н при напряжении входного сигнала U_вх, соответствующем линейному участку АХ, измеренной в области средних частот (воспользоваться для определения значения U_вх результатами выполнения предыдущего пункта). Определить полосу пропускания усилителя.

1.5. Измерить входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя на частоте входного сигнала f = 1 кГц, установив напряжение входного сигнала U_вх, соответствующее линейному участку АХ, измеренной в области средних частот.

2. Исследовать основные характеристики и параметры усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ, рабочая точка которого задается схемой эмиттерной стабилизации.

2.1. Собрать усилительный каскад по схеме, приведенной на рис. 14. Установить номинальное напряжение питания усилителя U_ип = 10 В. Напряжение контролировать вольтметром постоянного тока, установленным на панели стенда.

2.2. При отключенном источнике входного сигнала измерить с помощью вольтметра постоянные напряжения U_кэ0, U_э0 и U_бэ0. Рассчитать постоянные составляющие тока эмиттера I_э0 = U_э0/R_э, тока коллектора I_к0 = (U_ип – U_кэ0 – U_э0)/R_к и тока базы I_б0 = I_э0 – I_к0.

2.3. Подключить измерительные приборы (генератор звуковых частот, осциллограф, вольтметр переменного тока) согласно схеме на рис. 11 и снять АХ усилителя на частоте синусоидального входного сигнала f = 1 кГц для двух значений сопротивления нагрузки R_н. Величину U_{вх макс} определять по началу видимых искажений (ограничению синусоиды) выходного сигнала U_вых, что легко контролируется визуально с помощью осциллографа. Рассчитать коэффициенты усиления по напряжению для линейного участка АХ и определить динамический диапазон усилителя.

2.4. Снять АЧХ усилителя для двух значений емкости разделительного конденсатора C₁ при напряжении входного сигнала U_вх, соответствующем линейному участку АХ, измеренной в области средних частот (воспользоваться для определения значения U_вх результатами выполнения предыдущего пункта). Определить полосу пропускания усилителя.

2.5. Измерить входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя на частоте входного сигнала f = 1 кГц, установив амплитуду входного сигнала U_вх, соответствующую линейному участку АХ, измеренной в области средних частот.

3. Исследовать основные характеристики и параметры усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОБ, рабочая точка которого задается схемой эмиттерной стабилизации.

3.1. Собрать усилительный каскад по схеме, приведенной на рис. 15. Установить номинальное напряжение питания усилителя U_ип = 10 В. Напряжение контролировать вольтметром постоянного тока, установленным на панели стенда.

3.2. При отключенном источнике входного сигнала измерить с помощью вольтметра постоянные напряжения U_кэ0, U_э0 и U_бэ0. Рассчитать постоянные составляющие тока эмиттера I_э0 = U_э0/R_э, тока коллектора I_к0 = (U_ип – U_кэ0 – U_э0)/R_к и тока базы I_б0 = I_э0 – I_к0.

3.3. Подключить измерительные приборы (генератор звуковых частот, осциллограф, вольтметр переменного тока) согласно схеме на рис. 11 и снять АХ усилителя на частоте синусоидального входного сигнала f = 1 кГц для двух значений сопротивления нагрузки R_н. Величину U_{вх макс} определять по началу видимых искажений (ограничению синусоиды) выходного сигнала U_вых, что легко контролируется визуально с помощью осциллографа. Рассчитать коэффициенты усиления по напряжению для линейного участка АХ и определить динамический диапазон усилителя.

3.4. Снять АЧХ усилителя для двух значений емкости разделительного конденсатора C₁ при напряжении входного сигнала U_вх, соответствующем линейному участку АХ, измеренной в области средних частот (воспользоваться для определения значения U_вх результатами выполнения предыдущего пункта). Определить полосу пропускания усилителя.

3.5. Измерить входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя на частоте входного сигнала f = 1 кГц, установив амплитуду входного сигнала U_вх, соответствующую линейному участку АХ, измеренной в области средних частот.

4. Исследовать основные характеристики и параметры усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ, рабочая точка которого задается схемой автосмещения.

4.1. Собрать усилительный каскад по схеме, приведенной на рис. 16. Установить номинальное напряжение питания усилителя U_ип = 10 В. Напряжение контролировать вольтметром постоянного тока, установленным на панели стенда.

4.2. При отключенном источнике входного сигнала измерить с помощью вольтметра постоянные напряжения U_си0, U_и0 и U_з0. Рассчитать постоянные составляющие тока стока и истока I_и0 = I_с0 =U_и0/R_и.

4.3. Подключить измерительные приборы (генератор звуковых частот, осциллограф, вольтметр переменного тока) согласно схеме на рис. 11 и снять АХ усилителя на частоте синусоидального входного сигнала f = 1 кГц для двух значений сопротивления нагрузки R_н. Величину U_{вх макс} определять по началу видимых искажений (ограничению синусоиды) выходного сигнала U_вых, что легко контролируется визуально с помощью осциллографа. Рассчитать коэффициенты усиления по напряжению для линейного участка АХ и определить динамический диапазон усилителя.

4.4. Снять АЧХ усилителя для двух значений емкости разделительного конденсатора C₂ при напряжении входного сигнала U_вх, соответствующем линейному участку АХ, измеренной в области средних частот (воспользоваться для определения значения U_вх результатами выполнения предыдущего пункта). Определить полосу пропускания усилителя.

4.5. Измерить входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя на частоте входного сигнала f = 1 кГц, установив амплитуду входного сигнала U_вх, соответствующую линейному участку АХ, измеренной в области средних частот.

Содержание отчета

1. Схемы измерительных установок.

2. Принципиальные схемы исследуемых усилительных каскадов.

3. Результаты исследования каскадов по постоянному току.

4. Табличные и графические результаты исследования АХ каскадов.

5. Табличные и графические результаты исследования АЧХ каскадов.

6. Сводная таблица с результатами измерений входных и выходных сопротивлений каскадов.

7. Анализ полученных результатов: влияние сопротивления нагрузки и емкости разделительных конденсаторов на параметры и характеристики усилителей; сравнение входных и выходных сопротивлений исследованных каскадов.

Контрольные вопросы

1. Амплитудная характеристика и методика ее измерения.

2. Амплитудно-частотная характеристика и методика ее измерения.

3. Входное и выходное сопротивление и методика их измерений.

4. Динамический диапазон усилителя и способ его определения.

5. Покажите пути прохождения постоянных токов в схемах с фиксированным током базы и эмиттерной стабилизацией.

6. Покажите на входных и выходных характеристиках транзистора, как располагается рабочая точка по постоянному току в различных режимах работы.

7. Объясните принцип действия эмиттерной стабилизации режима работы по постоянному току.

8. Как влияет уменьшение сопротивления нагрузки каскада на его коэффициент усиления по напряжению?

9. Как влияет увеличение емкости разделительного конденсатора на АЧХ усилителя?

Литература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 1991.

2. Валенко В.С., Хандогин М.С. Электроника и микросхемотехника. – Мн.: Беларусь, 2000.

3. Ткаченко Ф.А. Техническая электроника. – Мн.: Дизайн ПРО, 2000.

4. Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Полупроводниковые усилительные устройства. – М.: Радио и связь, 1997.

5. Ногин В.М. Аналоговые электронные устройства. – М.: Радио и связь, 1992.

6. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. – М.: Радио и связь, 1989.

7. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1982.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ КЛЮЧЕЙ

Цель работы

1. Теоретически изучить схемотехнику, основные характеристики и параметры электронных ключей на биполярных и полевых транзисторах.

2. Экспериментально исследовать основные характеристики и параметры электронных ключей на биполярных и полевых транзисторах.

Краткие теоретические сведения

Электронными ключами называют схемы, предназначенные для замыкания или размыкания электрических цепей под действием внешних управляющих сигналов. В бесконтактных электронных ключах используются нелинейные активные элементы: полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры. В отличие от механических переключателей электронные ключи обладают большим быстродействием и надежностью. В зависимости от назначения ключевые схемы бывают: цифровые и аналоговые. Цифровые ключи используются в устройствах вычислительной техники, цифровой связи, дискретной автоматики. Аналоговые ключи используются в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях, в устройствах измерения и управления, в многоканальных коммутаторах.

Электронные ключи описываются передаточной характеристикой, определяющей зависимость выходного напряжения от входного U_вых = f(U_вх).

Рис. 1

На рис. 1 представлена передаточная характеристика для инвертирующей схемы ключа. В транзисторном ключе два его устойчивых состояния (разомкнутое и замкнутое) соответствуют пологим участкам, ограниченным точками А и В. На пологом участке, соответствующем малым значениям (точка А), ключ разомкнут (транзистор закрыт), и на нем падает большое напряжение – напряжение логической единицы . При относительно большом входном сигнале , соответствующем пологому участку (точка В), ключ замкнут, транзистор открыт и насыщен, выходное напряжение мало. Небольшие изменения входного сигнала на пологих участках характеристики практически не вызывают изменения напряжения на выходе ключа. Это значит, что цифровые схемы мало чувствительны к разбросу параметров транзистора, к их температурной зависимости, к изменению параметров во времени, к внешним помехам и собственным шумам.

а б Рис. 2

Принципиальная схема электронного ключа на биполярном транзисторе показана на рис. 2. Исходное состояние транзисторного ключа – закрыто. Для уменьшения остаточного тока коллектора до значения I_кб0 закрытого транзистора на базу транзистора через резистор R_б подается запирающее напряжение, которое выбирается из условия при R_б>>R_г.

При использовании кремниевых транзисторов, у которых I_кб0 мал и при непосредственном соединении входа ключа с выходом предыдущей схемы (схемы запуска), U_см можно не использовать.

Сопротивление нагрузки R_н может быть подключено к транзисторному ключу кондуктивно (непосредственно) и через разделительный конденсатор. При кондуктивном подключении нагрузки резистор R_н подключается параллельно коллекторному резистору R_к (рис. 2,а) или параллельно транзистору (рис. 2,б). Если резистор R_н подключен параллельно резистору R_к, ток коллектора I_{к нас} в режиме насыщения увеличивается. При малом сопротивлении резистора R_н, транзистор вообще может не войти в режим насыщения. Чтобы исключить это неблагоприятное явление, необходимо увеличить ток базы I_б = U_см/R_б за счет увеличения U_см или уменьшения R_б.

При подключении резистора R_н параллельно транзистору ток коллектора I_{к нас} и степень насыщения транзистора не изменяется. Потенциал коллектора U_кэ транзистора в режиме отсечки будет равен не +U_ип, а +U_{ип экв}:

; .

Рассмотрим влияние сопротивления нагрузки при подключении R_н через разделительный конденсатор С_р (рис. 3). При открывании ключа через транзистор будут протекать два тока: ток источника питания U_ип и ток разряда конденсатора С_р. Величина тока насыщения транзистора будет равна

Рис. 3

где U_Ср – напряжение на разделительном конденсаторе. Ток I_{к нас} увеличивается, а степень насыщения транзистора уменьшается. При малом сопротивлении R_н, транзистор при открывании может не войти в насыщение. В этом случае схема аналогична схеме ключа при подключении нагрузки R_н параллельно резистору R_к. При закрывании транзистора начинается заряд разделительного конденсатора С_р. Амплитуда выходного напряжения равна

.

Чем меньше сопротивление резистора R_н, тем меньше амплитуда выходного сигнала.

Нагрузочная прямая на статических выходных характеристиках транзистора строится по уравнению Кирхгофа для выходной цепи U_{ип экв} = I_кR_{к экв} + U_кэ. Транзистор в ключевом режиме характеризуется двумя устойчивыми состояниями: режимом отсечки и режимом насыщения. Режим отсечки транзистора обеспечивается при отрицательных потенциалах базы U<