Лабораторная работа 1 Исследование rc каскада с общим эмиттером (ОЭ) и температурной стабилизацией и Лабораторная работа 2

• Название: Лабораторная работа 1 Исследование rc каскада с общим эмиттером (ОЭ) и температурной стабилизацией и Лабораторная работа 2
• Дата: 27.09.2022
• Размер: 0.93 Mb.
• Имя файла: Lab_1i_2_Skh-ka_VVF_Us-lRC_Obrazets_22g.docx
• Тип: Лабораторная работа; #699823

Кафедра инфокоммуникационных и общепрофессиональных дисциплин

Дисциплины:​ «Схемотехника»

Лабораторная работа №1

«Исследование RC каскада с общим эмиттером (ОЭ) и температурной стабилизацией»

и Лабораторная работа №2

«Исследование влияния отрицательной обратной связи в усилителях на примере RC каскада с общим эмиттером (ОЭ)»
Образец

Гр _______

№ студ. билета
Проверил ЮМ Туляков

Нижний Новгород

2022



Цель работы: Исследовать характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ) при активном сопротивлении нагрузки.
Порядок выполнения работы.
1..Подготовка к выполнению лабораторной работы

1.1. На основании знаний статических характеристик биполярного транзистора (лабораторная работа №3), включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), изучить влияния активной нагрузки (включения активного сопротивления в цепи коллектора) на режимы токов и напряжений в схеме.

1.2. Знать понятия и принципы построения выходной нагрузочной характеристики и влияния нагрузки на входные характеристики транзистора.

1.3. Уметь определять режимы по постоянному току на входе и на выходе схемы при работе транзистора в активном режиме.

1.4. Изучить процессы усиления сигналов переменного тока.

1.5. Знать малосигнальные дифференциальные h –параметры транзистора и возможности их определения по статическим характеристикам. Уметь использовать h –параметры для определения основных рабочих характеристик схемы с ОЭ.

1.6. Изучить режимы работы схемы с ОЭ при ключевом переключении транзистора.
Основы для подготовки к выполнению лабораторной работы

Основы подготовки по п. 1.1, 1.2 и 1.3.

Схема с общим эмиттером (ОЭ) и включенной активной нагрузки на выходе - в цепи коллектора (R_Н = R_К) представлена на рис. 1.1.



I_б







I_э



Рис.1.1.

.

Особенность схемы с нагрузкой R_К в том, что при изменении тока коллектора I_К (за счет изменения тока базы I_Б ) изменяется падение напряжение на этом сопротивление нагрузки U_Rк = I_КR_к. и, поскольку токи и напряжения в выходной цепи по закону Ома определяется выражением

Е_К = U_КЭ + U_Rк = U_КЭ + I_КR_К, (1.1)

то происходит изменение напряжения коллектор-эмиттер - U_КЭ (например, при увеличении I_Б увеличиваются I_К и U_Rк и уменьшается U_КЭ).

Преобразовав (1.1) к виду
, (1.1′)

получим уравнение выходной нагрузочной характеристики, где U_КЭ является аргументом, а I_К – функцией. Видно, что это линейное уравнение, график которого можно построить по двум точкам. Зададимся двумя точками с координатами , , ) и построим выходную нагрузочную характеристику (прямую линию) на выходных статических характеристиках транзистора (см. рис.1.2)


I_Б2= I₀



I_Б1




U_кэ

I_Б3

I_Б4




U_Rк

Рис.1.2

Точка пересечения нагрузочной прямой с заданной статической характеристикой (для заданного тока базы I_Б0 = I_Б=) определяет режим работы транзистора по постоянному току (рабочую точку). (По сути дела такое нахождение рабочей точки является графическим решением системы уравнений, определяющих статические характеристики и нагрузочную характеристику).

Входная нагрузочная характеристика и рабочая точка определяется по входным статическим характеристикам транзистора (рис. 1.3)


0'
Поскольку в активном режиме Uкэ˃0, то нагрузочной входной характеристикой можно считать характеристику при Uкэ≠0, учитывая при этом то , что она соответствует (сливается в одну кривую) для широкого интервала значений Uкэ.

Рабочая точка 0′определяется на этой характеристики для I_Б0 = I_Б= . Это точка с координатами (I_Б0 = I_Б=,U_бэ0 = U_бэ=).
Рис.1.3.

Усиление сигналов переменного тока.

Для создания режима по постоянному току I_Б0 = I_Б= подадим на вход напряжение U_бэ0 = U_бэ= (подобно вышерассмотренному примеру - рис. 1.2 и рис. 1.3) или от специального источника питания Е_бэ (рис_. 1.4,а), или путем гашения напряжения источника питания Е_К с помощью гасящего сопротивления R_Б (рис. 1.4.б).


U_БЭ0 = U_БЭ=

Rк

R_КБ

R_К

R_i

Е_с

VT

U_Б

I_Б= = I_Б0

0'



а) б)

Рис.1.4 а –схема с внешним источником питания для создания режима по постоянному току, б - схема с использованием источника питания схемы

для создания режима по постоянному току
На схеме рис. 1.4б включен разделительный конденсатор С_Р, который «разделяет» постоянный (для создания режима по постоянному току) и переменный (от источника сигнала переменного тока) токи, т.е. он пропускает переменный ток и не пропускает постоянный ток.

Таким образом, в схемах создан режим по постоянному току для усиления сигнала переменного тока.

Процесс усиления сигнала переменного (синусоидального) тока для конкретных значений токов и напряжений представлен на рис. 1.5.

По временным диаграммам этого рисунка можно определить амплитуды сигнала при его усилении. Поскольку характеристики сигнала не являются строго линейными, из-за чего сигналы искажаются, то их амплитуды определяются как среднее арифметическое между максимальными и минимальными значениями величинами сигнала:







.

Коэффициенты усиления определятся:

k_i - коэффициент усиления по току



k_u - коэффициент усиления по напряжению

,

k_p - коэффициент усиления по мощности

.

Видно, что k_i и k_u >> 1. Необходимо учитывать, что U_кэ в противофазе с входным сигналом - U_бэ =F(t), I_{б =}F(t) и выходным током I_к =F(t)
Можно определить другие параметры:

• 
  входное сопротивление
  

;







Рис.1.5.

• 
  мощность, выделяемая на сопротивление нагрузки R_Н = R_К
  

;

• 
  мощность рассеивания на коллекторе
  

=0,75 .10^-3 7,2 =5,4 мВт.
Характеристические дифференциальные (мало сигнальные) h –параметры транзистора.

При подаче на вход транзистора очень малых сигналов переменного тока, его можно рассматривать как линейный (неискажающий форму сигнала) активный (усиливающий) четырехполюсник (рис.1.6).




Существуют следующие системы характеристических параметров:

Y - в виде проводимостей,

Z - параметры сопротивлений

H - комбинированная система параметров, состоит из Y и Z параметров.

Для оценки транзистора используются H-параметры.

Рис. 1.6.

Для сигналов сравнительно низких частот будем считать, что H – параметры чисто активные величины, считая их h ≈H, которые характеризуют такой четырехполюсник с помощью системы дифференциальных уравнений

, (1.2)

где:

  – входное сопротивление (при коротком замыкании по переменному току на выходе),
– коэффициент обратной связи (при холостом ходе на входе),
  – коэффициент передачи по току (при коротком замыкании по переменному току на выходе) подобный коэффициентам передачи для схемы с ОБ ≈α и и схемы с ОЭ ≈β,
– выходная проводимость (при холостом ходе на входе)

На основе этих параметров можно составить эквивалентную схему (рис.1.7)

h ₁₁ – входное сопротивление;

отражает влияние выходного напряжения на вход транзистора, определяется h₁₂;

генератор тока на выходе отражает усиленный

Рис. 1.7 выходной ток, который характеризуетсяh₂₁;

h₂₂ – выходная проводимость,
Определение h-параметров по статическим характеристикам транзистора для схемы с ОЭ
А) По входным характеристикам определяются следующие параметры (рис. 1.8):







Рис. 1.8.

Б) По выходным характеристикам определяются параметры (рис. 1.9):



  

Рис.1.9.

Типовые значенияh-параметров:

- для схемы с общим эмиттером:









- для схемы с общей базой:







.

Определение рабочих параметров через h-параметры для схемы включения транзистора с ОЭ и нагрузки R_н = R_К

Для слабых сигналов можно определить следующие рабочие параметры:

а) коэффициент усиления по току



, , (1.3)

б) коэффициент усиления по напряжению без учета сопротивления (без учета сопротивления источника сигнала)



, (1.4)

в) коэффициент усиления по мощности



(1.5)

г) входное сопротивление

, (1.6)

д) выходное сопротивление



. (1.7)

Выполнение лабораторной работы в Мicro-CaPе

Усилитель на биполярном транзисторе

(по показаниям левых курсоров??)

Видим, что спектр выходного напряжения содержит только одну составляющую (первую гармонику).

Следовательно, режим линейный, нелинейных искажений нет.

Определение динамического диапазона (максимально допустимого уровня входного сигнала до возникновения нелинейных искажений) и оценки нелинейных искажений

Определим максимально допустимый уровень входного сигнала до возникновения нелинейных искажений U_{max вх.отсутств. искаж} путем изменения (увеличения) U_вх. до начала появления 2-й и других гармоник.

При увеличении Uвх до 6 мВ начинаем наблюдать едва заметные искажения, значит Uвх мах= 5 мВ

Увеличив U _вх до 2٠U_{max вх.отсутств.} и до 3٠U_{max вх.отсутств} определим и рассчитаем нелинейные искажения через коэффициент гармоник:



где: - амплитуда первой гармоники

- амплитуда второй гармоники и т.д.

При U _вх=2٠U_{max вх.отсутств}









Неточно?!

12%!!!

При U _вх=3٠U_{max вх.отсутств}









Неточно?!+неучтена 4-я гармоника! 20%-верно!

Исследование частотных характеристик

Красный цвет графика соответствует меньшему значению емкости.

Вывод…..?





Красный цвет графика соответствует меньшему значению емкости

Коэффициент усиления при ООС: . , т.е. β-будет больше на НЧ сигналах??





Красный цвет графика соответствует меньшему значению емкости

Вывод=?

Лаб. работа №2

Исследование ОС усилителя

Уберем из схемы ёмкость C3



Коэффициент усиления при ООС: .

Далее запускаем Transient Analysis (Alt+1)





Из графиков берем входное и выходное напряжение и считаем коэффициент усиления


Так как был удален конденсатор, обратная связь теперь осуществляется через резистор R4, сопротивление которого бОльше реактивного сопротивления конденсатора, поэтому обратная связь – отрицательная. Поэтому мы видим, что при удалении конденсатора коэффициент усиления становится меньше

Далее посчитаем глубину ООС по формуле:

, где K_u возьмём из лабораторной №1, в данном случае K_uос=94.143,



Тогда, подставив и решив уравнение, получаем

Исследование частотных характеристик

Запустим AC Analysis (Alt+2) с изменением емкости C2. Microcap сам предлагает шаги, но лучше взять Step Value таким, чтобы было 4 шага: этого достаточно для наглядности, а большее количество шагов будет визуально «перегружать» график



Красный цвет графика соответствует меньшему значению емкости

Теперь пусть меняется C4



Красный цвет графика соответствует меньшему значению емкости

Выводы??

Видно, что при ООС АЧХ усилителя становится более равномерной и плоской. Для сравнения АЧХ без ООС (зеленым) и с ООС (красным)

Выводы:

• 
  при увеличении ёмкостей C2 и С3 наблюдается сдвиг АЧХ влево, т.к. С2 и С3 являются разделительными конденсатороми по схеме для низких частот:
  
• 
  при увеличении ёмкости C4 наблюдается сдвиг АЧХ влево, т.к. С4 является разделительным конденсатором по схеме для высоких частот:
  

Список литературы

Основная:

1. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств.- М.: Горячая линия – Телеком, 2005, 320 с.

2. Фриск В.В., Логвинов В.В. Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства. Лабораторный практикум на персональном компьютере.- М.: Солон-Пресс, 2008, 608 с.

3. Логвинов В.В., Фриск В.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем мобильной и стационарной радиосвязи, теория электрических цепей. Лабораторный практикум-II на персональном компьютере. М.: Солон-Пресс, 2011, 656 с.

4. Калабеков В.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. Второе издание.- М.: Горячая линия – Телеком, 2007, 347 с.

5. Туляков Ю.М.Конспект лекций по дисциплине «Схемотехника телекоммуниекационных устройств» Часть 1. ВВФ МТУСИ, 2016г, 84 с.

6. Туляков Ю.М.Конспект лекций по дисциплине «Схемотехника телекоммуниекационных устройств» Часть 2. ВВФ МТУСИ, 2016г, 45 с.

7.Логвинов В.В.,Матвеева О.В. Учебно-методическое пособие «Схемотехника телекоммуниекационных устройств» для студентов-заочников (направление 11.03.02), МТУСИ, М. 2014 г.