 |
Теоретическая часть
|
|
|
|
На рисунке 5.1 приведена принципиальная схема усилительного каскада с RC-связями на униполярном транзисторе. Конденсаторы Cp1, Cp2 разделяют каскад по постоянному току, резистор R3 обеспечивает утечку тока в цепи затвора.
Рисунок 5.1 – Принципиальная схема усилительного каскада с RC – связями на униполярном транзисторе
При анализе работы усилителей на первом этапе рассматривают работу схемы на постоянном токе, т.е. определяют положение рабочей точки транзистора (Ic, Ucн, Uзн), а также токи и напряжения для остальных ветвей схемы. Это часто и наиболее просто осуществляется графоаналитическим методом, предполагающим построение нагрузочной прямой Ic=(Ec-Uсн)/Rc и динамической стоко-затворной характеристики транзистора Ic=f1(Uзн) при Rc=const, на которых намечают положение рабочей точки.
В свою очередь, нагрузочная прямая и динамическая стоко-затворная характеристика предварительно строятся на семействах статических стоковых Ic=f1(Uсн) при Uзн =const и стоко-затворных Ic=f2(Uзн) при Uсн =const характеристик.
На рисунке 5.2 приведен примерный вид таких характеристик для униполярного транзистора.
От положения рабочей точки транзистора усилительного каскада зависят параметры транзистора, а следовательно, и параметры усилителя, такие, например, как коэффициент усиления по напряжению кu0, допустимая величина входного напряжения Uвхмакс превышение которой ведет к искажению выходного сигнала, коэффициент полезного действия и т.д. При заданных Ес и Rc изменить положение рабочей точки транзистора можно только за счет изменения напряжения источника Есм как показано на рисунке 5.1.
а - стоковые б - стоко-затворные
|
|
|
Рисунок 5.2 - Статические вольт-амперные характеристики униполярного транзистора
Рабочая точка транзистора обычно выбирается близко к середине линейного участка динамической стоко-затворной характеристики (класс А). При этом будет обеспечена наибольшая величина допустимого входного напряжения Uвхмакс при двуполярном (в частном случае синусоидальном) входном сигнале.
При анализе работы схем на униполярных транзисторах по переменному току используется малосигнальная эквивалентная схема транзистора, изображенная на рисунке 5.3а).
Здесь Ri – внутреннее дифференциальное сопротивление транзистора (сопротивление канала), S - крутизна стоко-затворной характеристики в рабочей точке, Сзн, Сзс и Ccн - межэлектродные емкости транзистора, называемые соответственно входной, проходной и выходной.
Этусхемуможно преобразовать в эквивалентную ей, показанную на рисунке 5.3б), в которой фигурирует входная динамическая емкость транзистора Свхдин, определяемая соотношением Свхдин=Сзн+Сзс(1+К), где К - коэффициент усиления каскада по напряжению. На рисунке 5.3 в)-д) показаны эквивалентные схемы усилительного каскада отдельно для средних, высоких и низких частот.
На средних частотах, когда реактивные компоненты схемы можно не учитывать, нетрудно получить формулу для коэффициента усиления по напряжению:
кu0=S(Ri||Rc||Rн). (1)
Учитывая, что в большинстве случаев Ri>>Rc и Rн>>Rc, кu0@SRс.
На высоких частотах нельзя пренебрегать емкостями, шунтирующими нагрузку. К ним относятся: выходная емкость рассматриваемого каскада, входная динамическая емкость транзистора следующего каскада (или емкость нагрузки) и паразитная монтажная емкость. Эти емкости включены между собой параллельно, поэтому в эквивалентной схеме, показанной на рисунке 5.3 г) емкость С0 равна их сумме.
Постоянная времени tв перезаряда заряда емкости С0 равна:
|
|
|
tв=С0(Ri||Rc||Rн). (2)
Соответственно высшая граничная частота fв полосы пропускания усилителя определяется как fв =(2ptв)-1. Расширить полосу пропускания усилителя в условиях, когда уже заданы Rн и тип транзистора, можно только за счет уменьшения Rc. Однако при этом уменьшается кu0.
На низких частотах становится заметным сопротивление разделительного конденсатора Ср. Постоянная времени tн перезаряда Ср как видно из эквивалентной схемы рисунка 5.3д), равна tн = ср(Ri||Rc+Rн), и если в качестве Rн выступает Rз последующего каскада, то Rн>>Rc, и тогда
tн @СрRн.
Низшая граничная частота fн полосы пропускания связана с tн следующим образом: fн = (2ptн)-1. Поэтому для расширения полосы пропускания усилителя в сторону низших частот нужно увеличивать Ср и Rн.
Амплитудные характеристики усилителя Uвх = f(Uвх) по которым определяют кu0 и Uвхмакс, обычно снимаются на средней 
или близкoйк ней частоте. На этой частотесдвиг по фазе между выходным и входным сигналами отсутствует, а влиянием реактивных компонентов на работу схемы можно пренебречь.
При усилении импульсных сигналов усилитель с ограниченной полосой пропускания (в пределах fв - fн) искажаетих форму. Если подать на вход усилителя идеальный прямоугольный импульс, тона выходе получится сигнал с длительностью фронта tф =2,2tв и относительным спадом вершины:
dU=DU/Um=tи/tн (3)
где DU -абсолютный спад вершины импульса;
U m – соответственно амплитуда выходного импульса;
tи - д лительность выходного импульса.
Одним из путей расширения полосы пропускания усилителя, а следовательно, уменьшения искажения усиливаемых импульсных сигналов является дополнение усилителя специальными корректирующими цепями. Такие цепи представлены на принципиальной схеме усилителя на рисунке
5.4а).
Здесь Rф и Сф обеспечивают улучшение низкочастотных свойств усилителя, а Lк - высокочастотных.
Действие этих цепей основано на увеличении сопротивления нагрузки в выходной (стоковой) цепи транзистора на тех частотах, где в некорректированном усилителе наблюдался спад усиления.
а - с цепями коррекции; б – на низких частотах; в – на высоких частотах.
Рисунок 5.4 - Принципиальная схема широкополосного усилителя с цепями коррекции и его эквивалентные схемы на низких и высоких частотах
|
|
|
В области низких частот эквивалентную схему выходной цепи усилителя можно представить как на рис. 5.4б). Она построена (с целью упрощения анализа) в предположении, что Ri и Rф значительно больше Rс. Из рассмотрения этой эквивалентной схемы вытекает, что выходное напряжение, определяемое формулой:
(4)
не будет зависеть от частоты, если обеспечить равенство произведений Rс·Сф и Rн·Ср. Если же допустить, что Rс·Сф < Rн·Ср, то с уменьшением частоты будет наблюдаться не спад, а рост выходного напряжения (перекоррекция). Усилитель будет недокорректирован, когда Rс·Сф >Rн·Ср.
Добавление дросселя Lк (элемент высокочастотной коррекции в стоковой цепи транзистора) позволяет получить в выходной цепи усилителя параллельный колебательный контур, представленный на рисунке 5.4в), резонирующий на частоте 
, которая выбирается возле верхней граничной частоты некорректированного усилителя.
Поскольку на резонансной частоте и возле нее сопротивление параллельного резонансного контура, близкое к:
,
где 
оказывается больше модуля сопротивления zc, стоящего в выходной цепи транзистора у некорректированного усилителя 
то и выходное напряжение корректированного усилителя возле wрез больше. Для получения наилучшей формы переходной, амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик добротность колебательного контура Q выбирается небольшой, чтобы коэффициент коррекции m=Q2 находился в пределах от 0,322 до 0,414.
Описание макета
Исследуемая схема представленана рисунке5.5. Схема позволяет выполнять следующие эксперименты:
- снимать статические и динамические стоко-затворные характеристики транзистора с целью правильного выбора положения рабочей точки транзистора. При этом изменяется напряжение источника G2 и регистрируется ток стока с помощью миллиамперметра I1;
- изменять сопротивления резисторов и емкости конденсаторов в выходной цепи транзистора с помощью переключателей, расположенных на передней панели макета;
|
|
|
- связывать специальные клеммы, к которым подключены регистрирующие приборы (милливольтметр и осциллограф) с любой контрольной точкой схемы с помощью специальных клавиш.
Исследование работы усилителя проводить при Ес, равном 10 В. В макете установлен маломощный транзистор КП103М с параметрами S³1,3мА/В; Uпср = 4,0 В; Сзн = 20 пФ;Сзс = 8 пФ; Рмакс=120мВт. Остальные детали имеют следующие параметры:
R1= 1,00 кОм; R2= I кОм; R3 = 2 кОм; R4 = 100 кОм;
R5=910 кОм; R6= 100 кОм; С1 = 2200 пф; С2= 20 мкф;
C3= 0,1 мкф; С4= 750 пф; С5= 4700 пф; С6 = 1200 пф
С7= 300 пф, Lк = 5500 мкГн.
Рисунок 5.5 - Схема макета лабораторной работы
Подготовить к работе генератор стандартных сигналов, милливольтметр переменного тока, осциллограф и генератор прямоугольных импульсов. Ознакомившись с назначением органов управления лабораторной установки и присоединив к ней измерительные приборы, подключить установку к сети.
Задание.
1. Обеспечить работу усилителя в классе А.
2. Экспериментально определить коэффициент усиления усилителя по напряжению, и динамический диапазон усилителя Uвхмакс при различных Rс. Дать заключение, как влияет сопротивление Rc на кu0 и Uвхмакс.
3. Собрать схему усилителя, имеющего наименьшую полосупропускания. Снять и построить в полулогарифмическом масштабе АЧХ. Определить нижний и верхнюю граничные частоты.
4. Повторить п. 3 для усилителя, имеющего наиболее широкую полосу пропускания (без цепей коррекции).
5. Дать заключение о влиянии параметров транзистора и деталей схемы на граничные частота полосы пропускания усилителя.
6. Расширить полосу пропускания усилителя (по сравнению с п.4) за счет применения цепей коррекции. Снять и построить АЧХ и оценить, насколько при этом изменились граничные частоты.
7. Исследовать прохождение импульсного сигнала с параметрами tн = 10 мкс и f = 10 кГц через линейный усилитель для вариантов схемы п.3, п.4 и п.6. Оценить искажения формы прямоугольного импульса в каждом случае и найти по искажениям граничные частоты усилителя.
8. Рассчитать кu0, fв, fн для рассматриваемых вариантов усилителя и оценить относительную разность между вычисленными и экспериментально найденными значениями параметров.
4 Контрольные вопросы
1. Чем различаются между собой статические и динамические ВАХ униполярного транзистора?
2. Каковы источники НЧ и ВЧ искажений в усилителе?
3. Как расширить полосу пропускания усилителя?
4. Какие детали определяют коэффициент усиления по напряжению усилителя и его динамический диапазон?
5. Какова связь между граничными частотами полосы пропускания усилителя и искажениями формы прямоугольного импульса, усиливаемого им?
|
|
|
Министерство 
образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»
(МГТУ им.Н.Э. Баумана)
Факультет Специальное машиностроение
Кафедра СМ-5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
по курсу ”Электроника и микроэлектроника”
“Ключевой режим работы транзистора”
Москва
Цель работы - исследование статических режимов и переходных процессов в схеме простого транзисторного ключа.
Продолжительность работы – 4,0 часа.
Содержание работы
1. Изучение работы простого транзисторного ключа.
2. Экспериментальное исследование переходных процессов в транзисторном ключе.
|
|
|
