Лабораторные. Лабораторные работы. Лабораторная работа 1 Система моделирования Electronics Workbench Структура окна и система меню
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
3. Транзистор как активный четырёхполюсник Транзистор можно представить в виде активного линейного четырёхполюсника, т.е. устройства имеющего два входных и два выходных зажима. 79 Режим работы четырёхполюсника характеризуется двумя входными параметрами (U 1 и i 1 )и двумя выходными (U 2 и i 2 ). Рисунок 9. - Транзистор как активный четырёхполюсник Достаточно задать две из этих входных величин, чтобы графически (по характеристикам) или аналитически вычислить две остальные. В зависимости того, какие величины принимают независимыми переменными, получают различные системы параметров. Наиболее близко соответствует рабочему режиму транзистора система h-параметров. В этой системе в качестве независимых переменных выбирают i 2 и U 2 , что приводит к следующим уравнениям: ; 2 22 1 21 2 2 12 1 11 1 U h i h i U h i h U Входное сопротивление транзистора при короткозамкнутой выходной цепи. 0 , 2 1 1 11 U i U h Коэффициент обратной передачи напряжения при разомкнутой выходной цепи 0 , 1 2 1 12 i U U h Коэффициент прямой передачи тока при короткозамкнутой выходной цепи 80 0 , 2 1 2 21 U i i h Выходная проводимость при разомкнутой входной цепи 0 , 1 2 2 22 i U i h Однотипные h -параметры получаются различными для различных схем включения транзисторов, поэтому их снабжают дополнительным индексом. Например: h 11б , h 22б и т.д. - для схемы с ОБ, h 11Э , h 22Э , и т.д. - для схемы с ОЭ. h -параметры можно определить по статическим характеристикам. По входным характеристикам определяют h 11 , h 22 . В качестве примера рассмотрим определение h -параметров транзистора, включенного по схеме с ОЭ. В этом случае , , , 2 2 1 1 КЭ K бэ б U U i i U U i i Допустим, что режим работы транзистора, статические характеристики которого приведены на рисунках, задан следующими величинами: 400 , 3 мкА I В U б КЭ Необходимо определить h -параметры. Давая приращение току базы ±I б вблизи выбранной точки А (А’ и А’’, находим приращение ±U 6э при U K = 0, после чего определяем 75 , 18 200 600 115 , 0 19 , 0 11 Ом I U h б бэ Вычисляем 0412 , 0 1 5 085 , 0 25 , 0 12 КЭ бэ Э U U h Определяем h 21Э по рисунку, на котором точка Г соответствует выбранному режиму, а точки Г' и Г"- приращению I K = 0 при U КЭ = 0. 25 , 36 2 , 0 6 , 0 5 , 7 22 21 б К Э I I h Определяем h 22Э , по треугольнику KCF, в котором катет KCпараллелен оси абсцисс: 81 1 00046 , 0 6 , 0 5 14 16 22 Ом I I h КЭ К 0,1 БЭ U 0,2 0,3 Рис. 4.10. Входные характеристики транзисторов в схеме с ОЭ Рисунок 11 - Выходные характеристики транзисторов в схеме с ОЭ 4. Порядок выполнения лабораторной работы 4.1. Исследование биполярного транзистора. 4.1.1. Исследование входных характеристик транзистора 4.1.2. Перечень приборов Источник постоянного напряжения – 2 шт.; Подстроечный резистор (100 Ом); Вольтметр – 2 шт.; 82 Амперметр; Биполярный транзистор 2N2218. 4.1.3. Соберите схему для снятия входных вольтамперных характеристик биполярного транзистора (Рисунок 12, а). Рисунок 12 - Схема для снятия входных вольтамперных характеристик биполярного транзистора Снимите входные характеристики транзистора ), ( const U U f I кэ бэ б Исследования производить следующим образом: Напряжение источника питания коллектор -эмиттер установить равным 0 В, а величину тока базы изменять путем изменения номинального значения подстроечного резистора (от 0% до 100% с шагом в 20%). При каждом шаге снимать показания вольтметра эмиттер-база и амперметра. Этими значениями заполнить строки 1 и 2 таблицы 1 соответственно. Затем установить напряжение источника питания коллектор-эмиттер, равным 5 В. и повторить те же действия, заполняя третью строку таблицы 1. Таблица 1 Исследование входных характеристик транзистора U бэ , В U кэ , В I б1 , мкА 0 I б2 , мкА 5 В 83 4.1.4. Исследование выходных характеристик транзистора 4.1.5. Перечень приборов Источник постоянного напряжения – 2 шт; Резистор на 100 Ом; Вольтметр; Амперметр – 2 шт.; Биполярный транзистор 2N2218. 4.1.6. Соберите схему для снятия входных вольтамперных характеристик биполярного транзистора (Рисунок 12, б). б) Рисунок 12, б - Схема снятия выходных вольтамперных характеристик биполярного транзистора Снимите выходные характеристики транзистора const І U f I б кэ к ), ( Установить значение тока базы (показания амперметра в цепи базы) путем изменения номинального значения сопротивления. При этом следует учитывать, что номинальные значения сопротивления резистора необходимо подбирать такими, чтобы ток базы соответствовал заданным в таблице 2 значениям (подбор выполнять при любых значениях U кэ , кроме 0). Величины подобранных номинальных значений сопротивлений внести в колонку R. Затем, изменяя величину напряжения источника питания коллектор-эмиттер 84 от 0 В до 5В, фиксировать показания амперметра в коллекторной цепи и эти данные занести в таблицу 2, строка 2. Затем устанавливаются следующие значения токов базы и опыты повторяются. Таблица 2 Исследование выходных характеристик транзистора U кэ , В 0 1 2 3 4 5 R I б , мкА I к1 , мА 200 I к2 , мА 300 I к3 , мА 400 По данным таблиц 1 и 2 построить семейство входных и выходных характеристик транзистора. По выходной характеристике определите коэффициент передачи тока транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. 4.2. Исследование стоковых характеристик полевого транзистора 4.2.1. Перечень приборов Источник постоянного напряжения – 2 шт; Вольтметр – 2 шт.; Амперметр; Полевой транзистор MPF971. 4.2.2. Соберите схему для снятия входных вольтамперных характеристик биполярного транзистора (Рисунок 12, б). Соберите схему для снятия семейства стоковых характеристик по левого транзистора – Рисунок 13. 85 Рисунок 13 - Схема для снятия стоковых характеристик полевого транзистора Снимите стоковые характеристики транзистора ) ( , си c з U f I const U Опыты производить, как и в предыдущих двух исследованиях. Данные измерений занести в таблицу 3. Таблица 3 Исследование стоковых характеристик полевого транзистора U си , В 0 2 4 6 8 10 U з , В I с1 , мА 0 I с2 , мА 0,5 I с3 , мА 1 5. Контрольные вопросы к работе 1. Какое назначение элементов биполярного транзистора? 2. Почему в каждом элементе транзистора различная концентрация примесей? 3. В каком направлении необходимо подключить p-n-переходы эмиттер- база и база-коллектор? 4. Изобразить транзистор n-p-nструктуры включенный по схеме с общим эмиттером. 5. Изобразить входные и выходные вольтамперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. 6. Объяснить принцип действия полевого транзистора. 7. Изобразить семейство стоковых характеристик полевого транзистора. 8. В чём заключается преимущество полевого транзистора? 86 Лабораторная работа 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ Цель работы - изучить принцип действия и характеристики усилителя напряжения. Ознакомиться с методикой снятия амплитудной и частотной характеристик усилителя. Краткие теоретические сведения 1. Принцип действия усилителя напряжения Усилитель напряжения представляет собой устройство, на выходе которого получают усиленное напряжение, повторяющее по форме входной сигнал. Различают усилители с непосредственной связью (усилители постоянного тока), когда между каскадами и нагрузкой нет разделения, и усилители переменного тока. В усилителях переменного тока для связи каскадов по переменному току и отделения постоянной составляющей, используют различные разделительные элементы: емкость (RC-усилители), трансформаторы, колебательные контуры. Наибольшее распространение имеют RC-усилители. На Рис. 1. представлен один из наиболее распространенных RC-усилителей на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. На этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Рисунок 1. - Схема RC-усилителя с общим эмиттером 87 Резистор R б , > включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Он позволяет получить оптимальное значение тока базы, соответствующее середине линейного участка динамической входной характеристики транзистора. Конденсатор С р служит для подачи входного напряжения U ВХ в цепь базы транзистора Т. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания усилителя Е K .Конденсатор связи С р на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение из коллекторного напряжения U К переменной составляющей, которая подается на нагрузку R н или последующий каскад усиления напряжения (в многокаскадном усилителе). С помощью резистора R K в коллекторной цепи создается выходное напряжение при изменении коллекторного тока транзистора. Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния: K K K K I R U E Вольтамперная характеристика резистора R к является линейной ( ) ( K R K U f I ). Вольтамперные характеристики транзистора ( )) ( K K U f I представляют собой нелинейные выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Расчет такой нелинейной цепи проще всего произвести графически по соответствующим семействам входных и выходных характеристик транзистора. Важнейшей характеристикой усилителя является коэффициент усиления по напряжению ВХ ВЫХ U U U K 88 При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за пределы линейных участков вольтамперных характеристик транзистора, в результате чего, форма кривой выходного напряжения претерпевает значительные искажения. Эти искажения носят название нелинейных искажений. Для оценки диапазона изменения входных напряжений, усиливаемых без искажений, используют амплитудную характеристику. Она представляет собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного значения входного напряжения (Рис. 2). Рисунок 2. - Амплитудная характеристика RC-усилителя На рисунке видно, что при превышении входным сигналом определенного уровня зависимость ) ( ВХ ВЫХ U f U перестает быть линейной. Искажения в усилителе могут быть также частотные и фазовые. Частотные искажения вызываются изменением коэффициента усиления на различных частотах, и ощущаются нами как изменение тембра звучания голосов и музыкальных инструментов, ухудшение ясности передачи, снижение разборчивости речи. Причиной частотных искажений являются реактивные элементы (конденсаторы, катушки индуктивности, ёмкость p-n-переходов полупроводниковых приборов, ёмкость монтажа и т.д.). Частотные искажении можно оценить по частотной характеристике ) ( f F K , т.е. зависимости коэффициента усиления от частоты входного 89 сигнала при const U ВХ На Рис. 3приведена частотная характеристика. При построении этой характеристики по оси абсцисс откладывают логарифм частоты, подписывая под логарифмом действительную величину частоты, а по оси ординат откладывают величину коэффициента усиления. Рисунок 3. - Частотная характеристика RC-усилителя Степень искажения на соответствующих частотах оценивается коэффициентом частотных искажений f К К М 0 Соответственно, коэффициент частотных искажений на низких частотах Н К К М 0 На высоких В К К М 0 Эти коэффициенты позволяют судить о равномерности частотной характеристики. При средних частотах коэффициент усиления К 0 практически не зависит частоты. В области низких частот наблюдается «завал» частотной 90 характеристики, обусловленный сопротивлением разделительных конденсаторов P C C f X 2 1 , включенных последовательно во входную цепь. Чем меньше частота водного сигнала, тем больше Х с , и большая часть входного сигнала гасится в этих конденсаторах. «Завал» в области высоких частот обусловлен шунтирующим действием паразитных емкостей (ёмкость монтажа, резисторов и других элементов усилителя), сопротивление которых при высоких частотах уменьшается. Обычно считают допустимым уменьшение коэффициента Кдо 0,707 и при этих значениях определяют граничную низшую f H и высшую f B частоты. Полоса пропускания усилителя равна f H - f B . В тех случаях, когда указаны допустимые минимальные значения К,полоса пропускания определяется по этим значениям. В усилителях возникают наряду с частотными искажениями ещё и фазовые из-за элементов, обладающих емкостью и индуктивностью. Природа их заключается в том, что в процессе усиления напряжения различных частот и меют различные фазовые сдвиги. Поэтому форма колебаний на выходе отличается от формы на входе. Оцениваются фазовые искажения по фазовой характеристике усилителя. Причиной нелинейных искажений является нелинейность характеристик элементов усилителя. Нелинейные искажения возникают в тех случаях, когда входной сигнал выходит за пределы линейного участка характеристики усилителя. В результате нелинейных искажений на выходе усилителя кроме полезного сигнала появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе. Появление этих новых частот приводит к искажению звука. Степень нелинейных искажений усилителя оценивается величиной коэффициента нелинейных искажений (коэффициент гармоник): 91 % 100 1 2 2 3 2 2 I I I I n , где I 1 , I 2 , I 3 ,…I n - действующие значения гармоник на активном сопротивлении нагрузки усилителя при синусоидальном входном напряжении. Допустимая величина коэффициента нелинейных искажений зависит от назначения усилителя; для усилителей радиоцентров его значение находится в пределах от 0,1% до 1,5%, а для усилителей устройств автоматики значительно больше. 3. Порядок выполнения лабораторной работы 3.1. Перечень приборов Функциональный генератор; Вольтметры для контроля напряжений на электродах транзистора в статическом режиме (2 шт.); Осциллограф; Резисторы (4 шт.); Конденсатор; Биполярный транзистор – 2N2218/ 3.2. Соберите схему для исследования работы усилителя напряжения, собранного по схеме с общим эмиттером (Рис. 4). 92 Рисунок 4. - Схема для исследования работы усилителя напряжения 3.3. Задайте значения функционального генератора в соответствии с рисунком 5. Рисунок 5. – Параметры функционального генератора 3.4. При исследовании осциллограммы рекомендуется установить параметры в соответствии с рисунком 6. 93 Рисунок 6 – Параметры осциллографа при исследовании амплитудной характеристики усилителя напряжения 3.5. Снимите амплитудную характеристику усилителя при разных сопротивлениях нагрузки в цепи коллектора (входное напряжение изменять в пределах от 1 до 3 В). Данные измерений занесите в таблицу 1. Таблица 1 Результаты измерения амплитудной характеристики усилителя напряжения, собранного по СОЭ, работающего в режиме класса А U ВХ ,В R К кОм f ВХ U ВЫХ ,В 10 1000Гц U ВЫХ ,В 5 3.6. По данным таблицы 1 построить графические зависимости ) ( ВХ ВЫХ U f U const f , для разных сопротивлений нагрузки (две кривые на одном чертеже). 3.7. Снимите частотную характеристику усилителя при разных 94 сопротивлениях нагрузки в цепи коллектора. (рекомендуется частоту изменять от 10 Гц). Данные измерений занесите в таблицу 2. Таблица 2 Результаты измерения частотной характеристики усилителя напряжения, собранного по СОЭ, работающего в режиме класса А f ВХ ,В R К , кОм U ВХ , В U ВЫХ1 ,В 5 1 U ВЫХ2 ,В 10 3.8. По данным таблицы 2 построить графические зависимости const U f U ВХ ВЫХ ), ( для разных сопротивлений нагрузки (две кривые на одном графике). 3.9. Определите коэффициенты усиления по напряжению по амплитудной характеристике для линейной и нелинейной части при различных сопротивлениях коллекторной нагрузки. 3.10. Сделайте выводы о влиянии величины коллекторной нагрузки на амплитудную и частотную характеристики усилителя напряжения. |