Лабораторная работа 2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером
 Скачать 1.14 Mb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации Томский межвузовский центр дистанционного образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ) УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ Лабораторная работа № 2 по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» (Учебное пособие «Аналоговые электронные устройства», автор Красько А.С., 2000г.) Выполнил: студент ТМЦДО 2005г Содержание Цель работы .…………………………………………………………..3 1 Исследование влияние Сн на АЧХ каскада …………………………3 2 Исследование влияние Сн на ПХ каскада.…………………..……….7 3. Исследование влияние Rн на АЧХ и ПХ каскада ………………….10 4. Исследование влияние Cр1, Cр2 и Сэ на АЧХ и ПХ каскада ……. 14 5. Определение АЧХ каскада на ПТ, работающего в качестве промежуточного …………………………………………………….23 6. Определение АХ каскада ……………………………………………25 Цель работы: исследование влияния элементов схемы резисторного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером на его характеристики. Схема каскада приведена ниже.  1  . Исследование влияние Сн на АЧХ каскада. Для проведения эксперимента создаем виртуальный лабораторный макет, показанный на рисунке 1.1.Рисунок 1.1 Схема лабораторного макета Исходные установки приборов показаны на рисунке 1.2. П  одадим на вход каскада гармонический сигнал. Снимем АЧХ при исходных номиналах элементов, указанных на рисунке 1.2. Для снятия АЧХ используем плоттер, зафиксировав значения К0, fн и fв при уровне частотных искажений 3дБ.   Рисунок 1.2 Начальные установки приборов Увеличим на порядок номинал Сн и вновь снимем АЧХ, определив значения К0, fн и fв (рисунок 1.3).    Рисунок 1.3 АЧХ при увеличении CН Результаты измерений К0, fн и fв помещены в таблицу 1.1. Таблица 1 Результаты эксперимента п.1
Совмещенные графики АЧХ показаны на рисунке 1.4. |
.
- постоянная времени каскада в области ВЧ определяется, как:
.
| Значение параметра Условия эксперимента | К0, дБ | | ty, c |
| СН=100 пФ, кривая 2 на рисунке 2.3 | 35,8 | 0,22 | 9,25·10-8 |
СН=1000 пФ, кривая 3на рисунке 2.3 | 35,8 | 0,22 | 3,12·10-7 |
Совмещенные графики ПХ приведены на рисунке 2.3, где 1 – входной сигнал, 2 – выходной сигнал при Сн=100 pF, 3 – выходной сигнал при Сн=1000 pF.
Рисунок 2.3 Выходные сигналы при различных значениях СН.
Выводы по данному пункту работы. Результаты эксперимента объясняются возрастанием влияния СН на постоянную времени нагрузки В, которая, в свою очередь влияет на постоянную времени всего каскада в области ВЧ. При увеличении номинала СН , постоянная времени каскада также увеличивается. Соответственно возрастают искажения фронта прямоугольного импульса
что отчетливо видно при совмещении выходных сигналов на рисунке 2.3, и по увеличению значению параметра tу – времени нарастания амплитуды импульса от 0,1Um до 0,9Um.
3. Исследование влияние Rн на АЧХ и ПХ каскада. Для проведения эксперимента создаем виртуальный лабораторный макет, показанный на рисунке 1.1.
Подадим на вход каскада гармонический сигнал. Снимем АЧХ при исходных номиналах элементов, указанных на рисунке 1.2. Для снятия АЧХ используем плоттер, зафиксировав значения К0, fн и fв при уровне частотных искажений 3дБ.
Уменьшим на порядок номинал Rн и вновь снимем АЧХ, определив значения К0, fн и fв (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 АЧХ при уменьшении на порядок номинала Rн
Результаты измерений К0, fн и fв помещены в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 Результаты эксперимента
| Значение параметра Условия эксперимента | К0, дБ | fн, Гц | fв, мГц |
| R=2 кОм, кривая 1 на рисунке 3.2 | 35,8 | 465 | 8,07 |
R=200 Ом, кривая 2на рисунке 3.2 | 30,6 | 670 | 14,3 |
С
овмещенные графики АЧХ показаны на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 Совмещенные графики АЧХ
Подадим на вход каскада импульсный сигнал (переключив вид сигнала генератора на «меандр» в настройках генератора). Снимем ПХ при исходных номиналах элементов, указанных на рисунке 1.1. Для снятия ПХ используем осциллограф в режиме Expand (рисунок 3.3), определим значения К0, и tу.
Рисунок 3.3 Выходной сигнал при RН=2 кОм.
У
меньшим на порядок номинал Rн и вновь снимем ПХ, определив значения К0, fн и fв (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 Выходной сигнал при RН=200 Ом.
Результаты измерений К0, и tу помещены в таблицу 3.2.
Таблица 3.2 Результаты эксперимента
| Значение параметра Условия эксперимента | К0, дБ | | ty, c |
| R=2 кОм, кривая 2 На рисунке 3.5 | 35,8 | 0,22 | 9,25·10-8 |
R=200 Ом, кривая 3на рисунке 3.5 | 30,6 | 0,35 | 1·10-7 |
Совмещенные графики ПХ приведены на рисунке 3.5, где 1 – входной сигнал, 2 – выходной сигнал при Rн=2 кОм, 3 – выходной сигнал при Rн=200 Ом.
Рисунок 3.3 Выходные сигналы при различных значениях RН.
Выводы по данному пункту работы. Результаты эксперимента объясняются возрастанием шунтирующих свойств RН, и влиянием нагрузки на коэффициент передачи и постоянную времени каскада. При уменьшении номинала RН, сильнее шунтируется нагрузка каскада, коэффициент передачи уменьшается со сдвигом частоты в низкочастотный диапазон.
, 
, 
Постоянная времени каскада в области ВЧ и НЧ также уменьшается.
,где
- постоянная времени транзистора ;
- постоянная времени выходной цепи транзистора:
;
- постоянная времени нагрузки:
.
.Соответственно увеличиваются граничные частоты каскада:
, 
Возрастают искажения плоской вершины прямоугольного импульса, но несколько уменьшаются искажения фронта:
, 
.Это отчетливо видно при совмещении выходных сигналов на рисунке 3.3, и по данным таблицы 3.2.
4. Исследование влияние Cр1, Cр2 и Сэ на АЧХ и ПХ каскада.
Для проведения эксперимента создаем виртуальный лабораторный макет, показанный на рисунке 1.1.
Исходные установки приборов показаны на рисунке 1.2.
Подадим на вход каскада гармонический сигнал. Снимем АЧХ при исходных номиналах элементов, указанных на рисунке 1.2. Для снятия АЧХ используем плоттер, зафиксировав значения К0, fн и fв при уровне частотных искажений 3дБ.
Уменьшим на порядок номинал Cр1 и вновь снимем АЧХ, определив значения К0, fн и fв (рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 АЧХ при уменьшении на порядок номинала Cр1
У
меньшим на порядок номинал Cр2 и вновь снимем АЧХ, определив значения К0, fн и fв (рисунок 4.2).
Рисунок 4.2 АЧХ при уменьшении на порядок номинала Cр2
Уменьшим на порядок номинал Сэ и вновь снимем АЧХ, определив значения К0, fн и fв (рисунок 4.3).
Рисунок 4.3 АЧХ при уменьшении на порядок номинала Cэ
Результаты измерений К0, fн и fв помещены в таблицу 4.1. Совмещенные графики АЧХ показаны на рисунке 4.4.
Таблица 4.1 Результаты эксперимента
| Значение параметра Условия эксперимента | К0, дБ | fн, Гц | fв, мГц |
| СР1=1 мкФ, СР2=1 мкФ, СЭ=1000 мкФ кривая 1 на рисунке 4.4 | 35,8 | 465 | 8,07 |
| СР1=100 нФ, СР2=1 мкФ, СЭ =1000 мкФ кривая 2 на рисунке 4.4 | 35,7 | 4240 | 8,07 |
| СР1=1 мкФ, СР2=100 нФ, СЭ =1000 мкФ кривая 3 на рисунке 4.4 | 35,8 | 928 | 8,07 |
| СР1=1 мкФ, СР2=1 мкФ, СЭ =100 мкФ кривая 4 на рисунке 4.4 | 35,8 | 928 | 8,07 |
Рисунок 4.4. Совмещенные графики АЧХ
П
одадим на вход каскада импульсный сигнал (переключив вид сигнала генератора на «меандр» в настройках генератора). Снимем ПХ при исходных номиналах элементов, указанных на рисунке 1.1. Для снятия ПХ используем осциллограф в режиме Expand (рисунок 4.5), определим значения К0, и tу.
Рисунок 4.5 Выходной сигнал при исходных номиналах элементов
У
меньшим на порядок номинал Cр1 и вновь снимем ПХ, определив значения К0, и tу (рисунок 4.6).
Рисунок 4.6 Выходной сигнал при уменьшении номинала Cр1
У
меньшим на порядок номинал Cр2 и вновь снимем ПХ, определив значения К0, и tу (рисунок 4.7).
Рисунок 4.7 Выходной сигнал при уменьшении номинала Cр2
У
меньшим на порядок номинал Сэ и вновь снимем ПХ, определив значения К0, и tу (рисунок 4.8).
Рисунок 4.8 Выходной сигнал при уменьшении номинала Cэ
Результаты измерений К0, и tу помещены в таблицу 4.2.
Таблица 4.2 Результаты эксперимента
| Значение параметра Условия эксперимента | К0, дБ | | ty, c |
| СР1=1000 пФ, СР2=1000 пФ, Сэ=1 мкФ кривая 2 на рисунке 4.9 | 35,8 | 0,22 | 9,25·10-8 |
| СР1=100 пФ, СР2=1000 пФ, Сэ=1 мкФ кривая 4 на рисунке 4.9 | 35,7 | 0,61 | 1,00·10-7 |
| СР1=1000 пФ, СР2=100 пФ, Сэ=1 мкФ кривая 5 на рисунке 4.9 | 35,8 | 0,32 | 1,00·10-7 |
| СР1=1000 пФ, СР2=1000 пФ, Сэ=0,1 мкФ кривая 6 на рисунке 4.9 | 35,8 | 0,27 | 9,25·10-8 |
Совмещенные графики АЧХ показаны на рисунке 4.9.
Рисунок 4.9 Совмещенные графики АЧХ при различных значениях разделительных и блокировочной емкостей.
Выводы по данному пункту работы.
Емкости разделительных и блокировочного конденсатора оказывают влияние на работу каскада в области низших частот и при передаче вершины импульса. Конденсатор Ср1 призван изолировать источник сигнала от входа каскада по постоянному току и соединить из по переменной составляющей сигнала. Конденсатор Ср2 выполняет аналогичную функцию по отношению к выходу каскада и нагрузке. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току и тем самым ослабляет отрицательную обратную связь в каскаде на частоте сигнала.
Рассмотрим влияние разделительных конденсаторов. После поступления сигнала конденсатор Ср1 заряжается и входной ток, а значит, и выходные величины уменьшаются. При заряде конденсатора Ср2 входной ток не меняется, а ток и напряжение нагрузки уменьшаются. Получается спад вершины выходного импульса (кривые 4 и 5 на рисунке 4.9).
В обоих случаях в области НЧ получим (кривые 2 и 3 на рисунке 4.4):
.
- постоянная времени разделительной цепи.
,где
- эквивалентное сопротивление, стоящее слева от 
(обычно это выходное сопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление источника сигнала), 
- эквивалентное сопротивление, стоящее справа от (обычно это входное сопротивление следующего каскада или сопротивление нагрузки).Относительный спад вершины выражается формулой:
.Получить малый спад вершины можно только путем увеличения постоянной времени, т.е. увеличением емкости конденсаторов.
На рисунке 4.9 кроме прочего показано влияние конденсатора Ср1 на ПХ входной цепи, где кривая 1 – емкость конденсатора равна 1 мкФ, а кривая 2 - емкость конденсатора равна 100 нФ.
Рассмотрим влияние блокировочной емкости в цепи эмиттера. При подаче сигнала конденсатор Сэ заряжается, уменьшается ток эмиттера; вместе с ним уменьшаются ток базы и выходные величины. Когда конденсатор Сэ зарядится полностью и ток через него сделается равным нулю, сопротивление в цепи эмиттера станет равным Rэ+rэ. Очевидно, что ток базы и выходные величины сильно уменьшаются за время переходного процесса, но их конечные значения будут все же отличны от нуля. В этом заключается принципиальная особенность влияния емкости Сэ по сравнению с влиянием емкостей Ср1 и Ср2.
Выражение для определения влияния Сэ на коэффициент передачи каскада аналогично выражению для Ср1 и Ср2, с той разницей, что постоянная времени блокировочной цепи равна:
.Соответственно, видно, что при прочих равных условиях емкость Сэ должна быть значительно больше, чем разделительные емкости.
Анализируя вышесказанное и результаты эксперимента, можно сказать, что уменьшение блокировочной емкости значительно меньше влияет на АЧХ и ПХ каскада (кривые 4 на рисунке 4.4 и 6 на рисунке 4.9), чем уменьшение разделительных емкостей. Наибольшее же влияние оказывает уменьшение емкости Ср1.
5. Определение АЧХ каскада на БТ, работающего в качестве промежуточного.
Д
ля проведения эксперимента создаем виртуальный лабораторный макет, показанный на рисунке 5.1., т.е. подключив к выходу каскада на рисунке 1.1. вместо цепи Ср2, Сн, Rн аналогичный каскад, оставив измерительные приборы подключенными к первому каскаду.Рисунок 5.1 Лабораторный макет 2-х каскадного усилителя
Снимем АЧХ первого каскада при Rн2 (сопротивление нагрузки второго каскада) 2 кОм и 200 Ом.
Р
исунок 5.2 АЧХ первого каскада при сопротивление нагрузки второго
каскада 2 кОм
Рисунок 5.3 АЧХ первого каскада при сопротивление нагрузки второго
каскада 200 Ом
Таблица 5.1 Результаты эксперимента
| Значение параметра Условия эксперимента | К0, дБ | fн, Гц | fв, мГц |
| Rн2=2 кОм, кривая 1 на рисунке 5.4 | 32,9 | 600 | 1,85 |
Rн2=200 Ом, кривая 2на рисунке 5.4 | 32,9 | 600 | 2,48 |
С
овмещенные графики АЧХ показаны на рисунке 5.4.
Рисунок 5.4 Совмещенные графики АЧХ первого каскада
Выводы по данному пункту работы.
Из результатов эксперимента видно, что АЧХ первого каскада в области СЧ и НЧ практически не меняется при изменении нагрузки второго, т.к. входное сопротивление второго каскада (а именно оно и является нагрузкой первого каскада) в малой степени зависит от Rн2.
В области ВЧ главная особенность двухкаскадного усилителя состоит в том, что нагрузка каскада получается комплексной, даже если внешняя нагрузка чисто активная, т.е. добавляется влияние СвхД следующего каскада на входную проводимость:
,где
.Этим и объясняется поведение АЧХ в области ВЧ (рисунок 5.4).
6. Определение АХ каскада
Для проведения эксперимента создаем виртуальный лабораторный макет, показанный на рисунке 1.1.
Исходные установки приборов показаны на рисунке 1.2.
Согласно заданию необходимо было менять входное напряжение от 0,1 до 5 В, но эксперимент показал, что в исходной схеме выходное напряжение неискаженной синусоидальной формы возможно получить лишь при входном напряжении до 10 мВ (рисунок 6.1). При дальнейшем увеличении напряжения происходит резкое ограничение амплитуды и расширение положительной полуволны синусоиды (рисунок 6.2).
Рисунок 6.1 Форма сигнала при входном напряжении 10 мВ
Рисунок 6.2 Форма сигнала при входном напряжении 100 мВ
При исключении из схемы конденсатора Сэ, такого искажения формы сигнала не происходит. Зависимость выходного сигнала положительной и отрицательной полуволны от входного сигнала в диапазоне 10-100 мВ представлена в таблице 6.1, а графическая зависимость на рисунке 6.3.
Таблица 6.1 АХ каскада в диапазоне 10-100 мВ
| U вх ген. | U вых с Сэ + | U вых с Сэ - | U вых без Сэ |
| 0,01 | 0,53 | 0,6 | 0,0036 |
| 0,02 | 0,95 | 1,23 | 0,0072 |
| 0,03 | 1,26 | 1,86 | 0,0112 |
| 0,04 | 1,46 | 2,47 | 0,0143 |
| 0,05 | 1,58 | 3,02 | 0,0179 |
| 0,06 | 1,65 | 3,51 | 0,0215 |
| 0,07 | 1,7 | 4,01 | 0,0251 |
| 0,08 | 1,73 | 4,45 | 0,0287 |
| 0,09 | 1,74 | 4,86 | 0,0323 |
| 0,1 | 1,71 | 5,02 | 0,0358 |
Рисунок 6.3 АХ каскада в диапазоне 10-100 мВ
Продолжая эксперимент, входное напряжение будем менять от 0,1 до 5 В. Наблюдая на экране осциллографа выходной сигнал, определим Uвх, при котором еще нет заметных глазу искажений формы Uвых.
Таблица 6.2 Данные АХ каскада
| U вх ген. | U вых с Сэ + | U вых с Сэ - | U вых без Сэ |
| 0,1 | 1,71 | 5,02 | 0,0358 |
| 0,5 | 0,949 | 6,096 | 0,179 |
| 0,9 | 0,803 | 6,29 | 0,323 |
| 1,3 | 0,735 | 6,379 | 0,467 |
| 1,7 | 0,702 | 6,432 | 0,61 |
| 2,1 | 0,67 | 6,459 | 0,753 |
| 2,5 | 0,656 | 6,475 | 0,897 |
| 2,9 | 0,63 | 6,5 | 1,04 |
| 3,3 | 0,614 | 6,517 | 1,183 |
| 3,7 | 0,607 | 6,524 | 1,323 |
| 4,1 | 0,6 | 6,533 | 1,45 |
| 4,5 | 0,591 | 6,535 | 1,562 |
| 4,9 | 0,587 | 6,54 | 1,507 |
| 5,3 | 0,577 | 6,539 | 1,441 |
График зависимости выходного напряжения от входного приведен на рисунке 6.4.
Рисунок 6.4 Амплитудная характеристика каскада
Выводы по данному пункту работы.
Из результатов эксперимента видно, что АХ каскада без Сэ имеет более линейную характеристику во всем диапазоне входных напряжений. Заметные искажения возникают при входном сигнале 3,8 В. Но за счет резистора Rэ в каскад вводится ООС (способствующая термостабилизации каскада). Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе падение напряжения, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору. Коэффициент усиления снижается. Введение Сэ устраняет эту ООС, увеличивая выходное напряжение, однако при более высоких (> 10 мВ) входных напряжениях возникают нелинейные искажения (в выходном токе появляются высшие гармонические составляющие). Скорее всего, это вызвано неправильным выбором рабочей точки транзистора или расчетом элементов узла эмиттерной термостабилизации. В принципе данный каскад может работать в качестве предварительного, т.е. при малых входных сигналах.