Материал: Методические указания к лабораторным работам №1-4 по дисциплине Схемотехника аналоговых электронных устройств. Воробьева Е.И., Юшин А.М

Расчет транзисторного резисторного каскада

Расчет транзисторного резисторного каскада предварительного усиления начинают с выбора принципиальной схемы каскада, удо­влетворяющей предъявленным к каскаду требованиям, и выбора рода транзистора (биполярный или полевой), а также характера его проводимости (р-n-р или n-р-n, р-канал или n-канал). При этом решают вопрос о выборе схемы стабилизации рабочей точки, о необходимости введения в каскад развязывающего фильтра R_фС_ф и т. д. Если используется биполярный транзистор, то выби­рают материал полупроводника (германий или кремний). Германиевые транзисторы не следует применять в новых разработках, а также при большом диапазоне изменения температуры (Т_mах—T_min>50^cC). В новых разработках рекомендуется ис­пользовать только кремниевые транзисторы. Для того чтобы кас­кад не вносил больших частотных искажений на верхней рабочей частоте f_B, предельная частота усиления тока f_T, используемого в каскаде транзистора, а также транзистора следующего каскада должна быть не ниже (1—3)f_вh_21эср, а для каскада усиления им­пульсных сигналов — не ниже (0,1—0,3) h_21эср/t_y

Полевые транзисторы используют при необходимости получе­ния очень высокого входного сопротивления каскада (выше де­сятков килоом) или для обеспечения наименьшего уровня собст­венных шумов каскада. Однако не следует забывать, что вслед­ствие малой крутизны характеристики полевой транзистор дает хорошее усиление только при работе на следующий каскад с до­статочно большим входным сопротивлением (не ниже несколь­ких килоом).

В каскадах предварительного усиления звуковых частот при­меняют маломощные низкочастотные транзисторы, в широкопо­лосных каскадах — маломощные высокочастотные. Ток покоя коллектора (стока) I₀ выбирают достаточным для обеспечения расчетной амплитуды входного тока сигнала следующего каскада с небольшим запасом, гарантирующим малые нелинейные иска­жения:

, (30)

где I_~m — амплитуда переменной составляющей выходного тока, равная сумме переменных составляющих тока всех цепей, нагру­жающих транзистор. Найденное значение I₀ не должно превы­шать допустимого для транзистора; однако ток покоя не следует брать ниже (0,7-1)мА для низкочастотных транзисторов и (2—3) мА для высокочастотных, так как при меньших токах ухудша­ются усилительные свойства транзисторов и не гарантируются указанные в справочнике параметры. Для получения от каскада максимального усиления сопро­тивление резистора R в выходной цепи транзистора (рис. 7) берут возможно большим, но допустимым по падению на нем на­пряжения питания, а также допустимым по частотным искажени­ям на верхней рабочей частоте или по времени установления каскада.

Рис. 7. К расчету резисторного каскада предварительного усиления на полевом транзисторе.

В транзисторных резисторных каскадах без высокочастот­ной коррекции сопротивления резисторов (рис. 7) обычно рас­считывают исходя из допустимого падения на них напряжения питания:

R_э или ;

, (31)

где Е — напряжение питания, подводимое к рассчитываемому кас­каду; I₀ — ток покоя выходной цепи транзистора; I_ф — постоян­ная составляющая тока, протекающая через резистор R_ф. Значе­ния коэффициентов при Е в формулах (31) для R и R_э (или R_и) желательно брать такими, чтобы сумма коэффициентов состави­ла 0,5—0,6; в этом случае напряжение покоя между выходными электродами транзистора U₀, равное разности Е и падения на­пряжения питания на R и R_э (или R_и), окажется равным (0,5— 0,4) Е. При этом уменьшается возможность выхода рабочей точки из линейного участка характеристики при изменении температу­ры или напряжения питания и старении или замене транзис­тора в каскаде. Коэффициент усиления по току К_т в этом случае обычно лежит в пределах (0,65—0,9)h_21э. Напряжение питания, подводимое к каскаду, не должно превышать допустимое для ис­пользуемого транзистора, чтобы исключить возможность его про­боя при сильных запирающих транзистор сигналах.

Максимально допустимое значение сопротивления резистора R при заданных частотных искажениях М_в на верхней рабочей частоте f_в или при заданном времени установления каскада t_y можно найти, решив нижнюю формулу (16) относительно R:

. (32)

Величина R_экв.в=R_экв.вmax определяется по формулам (17) или (28).

Напряжение смещения база — эмиттер U_0б, необходимое для получения выбранного тока покоя коллектора I_0к, находят по входной характеристике транзистора для I_0Б=I_0к/h_21эmin. В случае полево­го транзистора со схемой истокового смещения напряжение сме­щения находят по проходной характеристике для транзистора с наименьшим напряжением отсечки.

Коэффициенты усиления каскада определяют по формуле (7) или (9) и (10), расчетную амплитуду входного тока сиг­нала и амплитуду входного напряжения сигнала при биполярном транзисторе рассчитывают по следующим выражениям:

_. (33)

Частотные искажения на нижних частотах в каскадах рис. 7 будут создаваться как конденсатором межкаскадной свя­зи С, так и конденсатором схемы стабилизации С_э или С_и; кон­денсатор фильтра С_ф в полосе рабочих частот обычно не вносит ис­кажений. Емкость конденсатора С рассчитывают по формуле (13) или (23) исходя из допустимых частотных искажений М_н.с, вносимых им на низшей рабочей частоте, или из Δ_т; при этом считают R_экв.н~R; R₀=R_вх.сл. Вследствие низкого входного сопротивления каскадов с биполярными транзисторами в них кон­денсаторы С можно применять электролитические, соблюдая пра­вильность полярности их включения; во входной цепи полевых транзисторов, разделительные конденсаторы С следует брать с высоким сопро­тивлением изоляции, имеющие бумажный, пластмассовый или слюдяной диэлектрик и хорошо защищенные от влаги; электро­литические конденсаторы здесь не пригодны из-за сравнительно большого и непостоянного тока утечки, который может очень силь­но изменить напряжение смещения на затворе или сетке.

В случае промежуточного каскада с биполярным транзистором это можно сделать лишь после расчета предыдуще­го каскада, так как для расчета С_э нужно знать сопротивление источника сигнала R_ист во входной цепи рассчитываемого каска­да. Полный коэффициент частотных искажений каскада М_н на низшей рабочей частоте можно считать равным произведению М_н.с и М_н.э, найденных по формулам (12) и (14); при полевом транзисторе М_н=М_н.сМ_н.и.

Вносимые каскадом частотные искажения М_в на высшей рабочей частоте определяются по формуле (15), а входящую в нее емкость С₀~С_б.э.сл – по формуле (14); при биполярном транзисторе искажения будут максимальны для транзистора с f_еmin и h_21эmax.

2.ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ.

2.1 Изучить теоретический материал

Задания для выполнения лабораторной работы

1) Снять амплитудную характеристику с ООС по переменной составляющей и без обратной связи по переменой составляющей; Рассчитать по полученным данным: коэффициент усиления с ООС и без ООС, коэффициент передачи обратной связи;

2) Снять АЧХ с ООС по переменной составляющей и без обратной связи;

а) Рассчитать коэффициент усиления с ООС и без ООС и рассчитать коэффициент передачи. Сравнить полученные результаты с пунктом №1

б) По полученным данным определить полосу пропускания с ООС и без ООС

3) Определить коэффициент передачи тока транзистора на котором выполнен каскад предварительного усиления.

2. Порядок выполнения работы:

   1. Запустите программу Electronics Workbench и откройте из неё файл: pnp_ОЭ.ewb

   2. Ставим переключатель 2 в положение конденсатор включен, т.е. без ООС.

   3. На Function Generator выставляем входное напряжение 0.1мВ при фиксированной частоте равной 10кГц, запустив моделирование путем нажатия выключателя в правом верхнем углу снимите показания с вольтметра на выходе. Повторите измерения для различных входных напряжений, найдите максимум напряжений. Данные занесите в таблицу, постройте график амплитудной характеристики.

   4. Ставим переключатель 2 в положение конденсатор отключен, т.е. с ООС.

   5. На Function Generator выставляем входное напряжение 0.1мВ при фиксированной частоте равной 10кГц, запустив моделирование путем нажатия выключателя в правом верхнем углу снимите показания с вольтметра на выходе. Повторите измерения для различных входных напряжений, найдите максимум напряжений. Данные занесите в таблицу, постройте график амплитудной характеристики.

   6. Найдите среднее значение U_{вх const} лежащие между максимальным и минимальным входным напряжением для ООС и без ООС.

   7. По полученным данным в пунктах 3 и 5 рассчитайте коэффициент усиления с ООС

K_ooc= U_выхООС/U_{вх const}

и коэффициент усиления без ООС. Рассчитайте коэффициент передачи ОС.

8. Перевести переключатель 2 в положение конденсатор включен, т.е. без ООС.

9. В Function Generator ставим входное напряжения равное U_{вх const} .

10. Запускаем в Workbench Bode Plotter на построенном графике находим значение частоты 10кГц и соответствующее ей выходное напряжение (U_вых при f=10кГц), находим частоты f_н и f_в по уровню -3дБ(0.707) от U_вых при f=10кГц, находим некоторое значение промежуточных точек. Данные заносим в таблицу. Рассчитайте полосу пропускания по формуле F= f_в - f_н . Рассчитайте коэффициент усиления и коэффициент передачи, сравнить с пунктом 7

11. Перевести переключатель 2 в положение конденсатор отключен, т.е. с ООС.

12. Запускаем в Workbench Bode Plotter на построенном графике находим значение частоты 10кГц и соответствующее ей выходное напряжение (U_вых при f=10кГц), находим частоты f_н и f_в по уровню -3дБ(0.707) от U_вых при f=10кГц, находим некоторое значение промежуточных точек. Данные заносим в таблицу. Рассчитайте полосу пропускания по формуле F= f_в - f_н .Рассчитайте коэффициент усиления и коэффициент передачи, сравнить с пунктом 7.

13. Рассчитать коэффициент передачи тока транзистора с ООС и без ООС по формуле: h_21э=I_к/I_б.

14. Сделать вывод о проделанной работе.

3.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

3.1 Цель работы.

3.2 Схемы p-n-p БП транзистора без обратной связи, p-n-p БП транзистора с обратной связи.

3.3 Расчеты в соответствии с вариантом домашнего задания

3.4 Результаты измерений представленные в виде таблиц и графиков.

3.4 Вывод о работе.

Лабораторная работа №3 Исследование каскада предварительного усиления на полевом транзисторе

1.ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАБОТЕ

1. Цель работы: приобретение навыков работы в программе Electronics Workbench и научиться с помощью неё исследовать каскад предварительного усиления на полевом транзисторе.

Теоритический материал.

- большее входное сопротивление, что упрощает его согласование с высокоомным источником сигнала;

- как правило, меньший коэффициент шума, что делает его более предпочтительным при усиления слабых сигналов;

- большая собственная температурная стабильность режимов покоя.

Вместе с тем каскады на полевых транзисторах обычно обеспечивают получение меньшего коэффициента усиления по напряжению.

Из-за схожести выходных ВАХ графический анализ работы усилительного каскада на полевом транзисторе идентичен рассмотренным ранее случаям усилителя на биполярном транзисторе. По этой же причине, как уже отмечалось, схожи и используемые схемотехнические решения.

В полевом транзисторе с управляющим переходом полярности напряжений, приложенные к его стоку и затвору, должны быть противоположными. Поэтому для задания режима по постоянному току на практике широко используется введение в каскад последовательной ООС по току нагрузки. Схема такого каскада приведена на рис. 1, а.

Ее особенностью, кроме резистора является подключение параллельно входным выводам каскада дополнительного резистора R_см. Этот резистор обеспечивает гальваническую связь затвора с общей шиной, что необходимо для замыкания цепи смещения. Кроме этого он стабилизирует входное сопротивление каскада. Сопротивление резистора R_см выбирается меньше собственного входного сопротивления транзистора (обычно R_см<1МОм).

Следует отметить, что так как собственный входной ток полевого транзистора стремится к нулю, то падение напряжения на R_см от протекания тока смещения также стремится к нулю и напряжение смещения практически равно падению напряжения на .

Рис. 1. Задание режим покоя в усилительном каскаде на полевом транзисторе с управляющим р-п-переходом

В рассматриваемой схеме резистор выполняет двойную роль. Во-первых, он обеспечивает начальное смещение рабочей точки каскада и, во-вторых, вводит в него последовательную ООС по току нагрузки, что приводит к уменьшению усиления каскада и стабилизирует его рабочую точку.

Вопрос стабилизации положения рабочей точки каскада заслуживает особого рассмотрения. При изменении температуры окружающей среды на ток стока покоя действуют два противоположных фактора: увеличение сопротивления полупроводникового материала, что снижает величину , и уменьшение толщины р-п-перехода, что увеличивает значение . В результате действия этих двух противоположных факторов на передаточной характеристике транзистора можно найти точку, в которой ток стока не зависит от температуры окружающей среды. Если напряжение U_см выбрать так, чтобы транзистор работал этой точке, то температурная стабилизация каскада не требуется. К сожалению, такой выбор с точки зрения требований к каскаду не всегда возможен и полевой транзистор работает, как правило, при больших токах стока.

Для современных приборов температурный дрейф тока стока составляет порядка 0,6 %/°С. К тому же он отрицателен, что исключает в каскадах положительную ОС по температуре, свойственную биполярным транзисторам. Поэтому при работе в малых диапазонах изменения температуры окружающей среды можно вполне обойтись без цепей термостабилизации.