Реферат: Изучение режимов работы диодов и транзисторов в электронных схемах
Данные методические указания издаются в соответствии сучебным планом. Рассмотрены и одобрены кафедрой ИУ-6 21,12.87г.-методическойкомиссией факультета ИУ 23.12.87 г. и учебно-мето-дическим управлением 08.01.88г.
Рецензент к.т.н. доц. Меньков А.В.
Московское высшее техническое училище именаН.Э.Баумана
Цель лабораторного практикума — изучение режимовработы диодов и транзисторов в электронных схемах, установление связи междупараметрами указанных приборов и параметрами электронных схем, в которых ониработают.
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ… 2
Работа №1. ДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ… 2
Работа № 2. ТРИ СхемыВКлючения ТРАНзистора… 8
Работа № 3. ключевойРЕжим РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА… 14
Работа №4. УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР В ШИРОКОПОЛОСНОМУСИЛИТЕЛЬНОМ КАСКАДЕ С RC –СВЯЗЯМИ… 18
Редактор Н.Г.Ковалевская КорректорЛ.И.Малютина
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Отчеты по проведенным лабораторным работам должны включать:
1.Наименование работы.
2.Чертеж принципиальной схемы макета лабораторной работы.
3. Днякаждого этапа выполняемой работы – наименование этапа и результаты (в форметаблиц, графиков, зарисовок осциллограмм).
4. Краткие выводы по рабе те в целом.
Работа №1. ДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯЦель работы — исследование характеристик ипараметроввыпрямительныхсхем и стабилизаторов напряжения.Продолжительность работы — 3,5 часа.
Теоретическая часть
/>Электронные приборы иустройства требуют для своего питания стабильного напряжения постоянного тока.В большинстве практических случаев такое напряжение получают из переменногонапряжения сети с помощью вторичных источников питания, включающих выпрямительсетевого напряжения, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения (рис. I).
Рис.1Структурная схема вторичного источника питания
Всостав выпрямителя обычно входят:
силовойтрансформатор, предназначен для получения необходимых величин переменногонапряженияиз напряжения сети, а также для гальванической развязки ссетью;
вентильнаягруппа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующая напряжениепеременного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока;
емкостная нагрузка вентильной группы, представляющаясобой конденсатор относительно большой емкости, который можно такжерассматривать как простой емкостный сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр,подключаемый к выходу выпрямителя, уменьшает пульсации выходного напряжения.
Если к выходному напряжению предъявляются высокиетребования по стабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то висточник питания вводится стабилизатор напряжения.
На рис. 2а представлена схема однополупериодноговыпрямителя с полупроводниковым выпрямительным диодом V. Какизвестно, вольтамперная характеристика (BAX) выпрямительного диода имеет вид,представленный на рис. 3. Для упрощения практических расчетов ее частопредставляют на основе кусочно-линейной аппроксимации двумя.участками прямых АВи ВС, причем АВ идет по оси абсцисс, а наклон ВСопределяется средним, прямым сопротивлением диода/>. С целью дальнейшегоупрощения иногда принимают UgH»и тогда точка В смещается вначало координат. Как следуетиз такой аппроксимацияВАX, диод представляют элементом с односторонней проводимостью, его внутреннее сопротивление на участке ВА стремитсяк бесконечности, а на участке ВС сравнительно мало.
/>
Рис. 2. Схемы выпрямителей: а — однополупериодного, б– двухполупериодного (мостового)
/>/>На рис. 4приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе, работающем на емкостнуюнагрузку. В интервале времени t2 – t1,соответствующем изменению фазового угла wt2 – wt1, диод открыт и через него протекают токи нагрузки и зарядаконденсатора С. Постоянная времени заряда tзар= С(RH ||Rпот), где сопротивление потерь
Rпот<sub/>= Rпр.ср.+Rтр (Rтр — активноесопротивление потерь трансформатора). Практически всегда Rпот£ RHиtзар@С(RH ||Rпот.В остальную часть периода диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжаетсяtразр» С(RH ||Rобр+Rтр)).
/>Поскольку у правильновыбранных диодов их обратное сопротивление Rобр³Rтр+RH, постоянная времени разряда tразр» СRHи tразр <<tзар-т.е. процессы заряда иразряда конденсатора С идут с разной скоростью. Следовательно,появляется постоянная составляющая напряжения Uc, на диоде обратное напряжение.может достигать величины Uобр=2U2m.Поэтому диод выбирают с Uобр.макс>2U2m. Фазовый угол, в течение которогодиод открыт, обозначается 2q=wt2-wt1,где q- угол отсечка. Чемменьше q. тем больше U0 и меньше пульсации. Поэтому q желательно уменьшать.
В установившемся режиме площади под кривыми токазаряда конденсатора Jсз и токаразряда Jcр<sub/>одинаковы.Основные расчетные параметры выпрямителя являются функциями коэффициента />, где m=1для однополупериодного и m = 2 для двухполупериодноговыпрямителей.
С помощью этого параметра определяют необходимыезначения:
Jm — максимального импульса тока через диод;
J2 - действующегозначения тока вторичной обмотки трансформатора;
E2- действующего значения ЭДС вторичной обмотки.
С помощью коэффициента A(q) при расчетах определяюти коэффициентпульсаций, равный отношению напряжения первой гармоники к постояннойсоставляющей выпрямленного напряженияU0'
/>.
Выходное сопротивление />, где DU0 и DJ0, находят по нагрузочной характеристикеисточника U0=f(J0); U0 иJ0 — напряжение и ток нагрузки.
На рис. 26 приведена схема двухполупериодного мостовоговыпрямителя. Ее особенностью является то, что за период через диодыпротекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диода V2 и V3 (пунктирныестрелки), в другом – через диоды V1 и V4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше.Обратное напряжение на диодах ниже в две раза Uобр.макс>2U2m по сравнению с однополупериоднойсхемой. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторепостоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекаетв противоположных направлениях.
Для уменьшения пульсации выходного напряжения между выпрямителеми нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживанияопределяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсациина входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе
/>
Например, простой LC-фильтр, представляющий собой последовательно о нагрузкой включенный дроссель ипараллельно c нагрузкой включенный конденсатор, существенноуменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей Uсопротивление дросселя близко к 0, аконденсатора — к бесконечности, для пульсирующей — наоборот, поэтому постояннаясоставляющая проходит через фильтр практически без изменений, а пульсирующаясущественно уменьшается.
Использование электронного стабилизатора позволяетзначительно уменьшить кп, Rвых, а также зависимость U0 отколебаний напряжения сети и тока нагрузки. Качество стабилизации оцениваетсякоэффициентом стабилизации при постоянном токе нагрузки
/>
где DUвых — приращение U0приизмененииUвх на величину DUвх ;
Uвх.ном; Uвых.ном — номинальные значениянапряжений.
/>
Рис. 5. Параметрическийстабилизатор (а) и вольт-амперная характеристика стабилитрона (б)
Простейшим электронным стабилизатором является параметрическийстабилизатор (рис. 5а), состоящий из балластного сопротивления Rб и стабилитрона. Он устанавливаетсяв источнике питания между нагрузкой и выпрямителем со сглаживающим фильтром,если таковой имеется. В этой схеме используется свойство обратно смещенногостабилитрона сохранять напряжение в области пробоя практически неизменным призначительных избиениях протекающего через него тока (рис. 56, обратная ветвьВДХ стабилитрона в области Uст). Приотклонении Uвх от номинальногозначения почти все приращение входного напряжения падает на Rб, авыходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузки J2 (Uвх– const) перераспределение тока между стабилитроном инагрузкой (изменяется Jcт ) почти без измененияобщего тока J1. Следовательно,напряжение на нагрузке остается практически постоянным. Коэффициентстабилизации параметрического стабилизатора определяется по формуле
/>
где rg — динамическое сопротивление стабилитрона.
Выходное сопротивление стабилизатора Rвых=Rб||rg»rg так как rg<<Rб.
Описание макета
Макет, схема которого представленана рис. 6,включает:
— выпрямитель, который в зависимости от положенияпереключателя BI может работать по однополупериоднойили мостовой схеме;
- LC –фильтр /L1,C2/;
— параметрический стабилизатор /R2,V6/;'
- контрольно-измерительные приборы(I1, V2);
- дискретно изменяющуюся нагрузку (R3,R4,R5,R6);
— емкостную нагрузку (CI).
/>
Риc.6. Схема макеталабораторной работы №1
Задание
1.Исследовать работу однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямителя дляслучаев:
активнойнагрузки;
емкостнойнагрузки;
зарисовать форму выходногонапряжения, а также форму тока, протекающего через диод.
2. Определить с помощью осциллографа угол отсечки q и коэффициент пульсаций кпдля одно- и двухполупериодной схем.
3. Исследовать сглаживающее действие фильтра LC при одно- и двухполупериодном выпрямлении. Определитькоэффициенты сглаживания.
4. Отснять нагрузочные характеристики выпрямителя иопределить его выходное сопротивление.
5. Подключить к выпрямителю параметрическийстабилизатор, снять нагрузочную характеристику стабилизатора и определить поней его выходное сопротивление, определить коэффициент стабилизации (схемавыпрямителя мостовая, фильтр LC отключен).
kонтрольные вопросы
1. Как работают однополупериодный и двухполупериодныймостовой выпрямители?'
2. Каковы основные параметры выпрямителей?
3. На чем основана работа LC-фильтра и что такое коэффициент сглаживания?
4. Как определяется коэффициент стабилизациистабилизатора?
5. Что такое угол отсечки икак его измерить?
6. Что такое нагрузочная характеристика, как онаснимается и какие параметры можно по ней определить?
7. Объясните работу параметрического стабилизатора.
8. В чем отличие работы диода в однополупериодной идвух-полупериодной мостовой схемах?
9. Чему равен угол отсечки при коротком замыканиинагрузки и при холостом ходе?
Литература
1.Иванов-Цаганов А.И. Электротехнические устройстварадио-систем: Учеб. для студентов радиотехн. спец. вузов. — 3-е изд., перераб.и доп. — М.: Высшая школа, 1984.- 280 о., илл.
2. Вересов Г.П. Электропитание бытовойрадиоэлектронной аппаратуры. -М.: Радио и связь, 1983. — 128 с.,ил.
Работа № 2. ТРИ Схемы ВКлючения ТРАНзистораЦель работы — изучить, как влияют различныеспособы включения биполярного транзистора и величина сопротивления нагрузки насвойства усилительного каскада,
Продолжительность работы — 3,5 часа.
Теоретическая часть
В транзисторных схемах источник сигнала можетвключаться в цепь базы или эмиттера,нагрузка — в цепь коллектора или эмиттера, а третий электрод транзистора оказываетсяобщим для входной и выходной цепи. В зависимости от того, какой электродтранзистора оказывается общим, различают схемы ОЭ (о общим эмиттером), ОБ (с общейбазой) и ОК (с общим коллектором), показанные на рис. 7.
В этих схемах конденсаторы С1 и С2служат для связи каскада с источником сигнала и нагрузкой на переменном токе иисключают в то же время влияние источника сигнала и нагрузки на режим работыкаскада по постоянному току. Резисторы R1, R2, Rки Rэ обеспечивают выбранный режим работытранзистора в активной области, т.е. выбранное положение рабочей точки навольт-амперных характеристиках транзистора. Конденсатор СЗ выполняетроль блокировочного конденсатора, исключая из работы на переменном токе резисторRэ (каскад ОЭ) или делитель напряжения в цепибазы R1, R2 (каскад ОБ), и тем самымобеспечивает присоединение эмиттера(базы) к общей точке схемы.
/>
Для анализа транзисторных схем важно знать, каксвязаны электродные тока и напряжения между выводами транзистора, т.е. знатьвольт-амперные характеристики.
Прианализе каскада ОЭ удобно пользоватьсязависимостями Iб=f1(Uбэ,Uкэ) и Iк=f2(Uкэ,Iб). Первые из них называются семействомвходных, а вторые — семейством выходных характеристик. Их типичный вид приведенна рис. 8. Здесь же приведена построенная нагрузочная прямая по постоянномутоку и выбранная на ней рабочая точка транзистора А с координатами IкА, UкэА, Iб , которая отображена также на семействе входных характеристик и имееткоординаторы IбА, (UбэА, IкэА). Для построенной нагрузочной прямойIк=(Ек-Uкэ)/(Rк+Rэ) (рис.8а)транзистop будет работать в активном режиме при токах базы в диапазоне Iк0 — IбН.
В усилительных схемах транзистор работает в активномрежиме когда эмиттерный переход смещен прямо (для р-п-р-транзистора Uбэ>0), аколлекторный — обратно (Uбк>0). При этом транзистор обладает усилительными свойствами и токи его электродовсвязаны между собой через статические коэффициенты передачи по току транзистораВ и a
В=Iк /Iб , В+1=Iэ /Iб, a=Iк /Iэ
откуда следует, что В=a/(1-a),a=В/В+1.
/>
Рис. 8. Статическиевольт-амперные характеристики транзистора: а) выходные, б) входные.
/>
Для оценки параметров усилителя его принципиальнуюсхему преобразуют в эквивалентную, в которой транзистор замещается своеймалосигнальной эквивалентной схемой рис. 9.
Нас интересуют формулы для кu, кi, кp, Rвх и Rвыхв диапазоне средних частот. На этих частотах можно не учитывать частотную зависимостькоэффициента передачи по току и емкость Скэ(она отбрасывается). Емкостиконденсаторов CI, C2иСЗ выбирают настолько большими, чтобы на средних частотахихсопротивление было пренебрежимо малым по сравнению с суммарным сопротивлениемокружающих их резисторов. Поэтому в эквивалентной схеме на рис.10 они представленыкоротко- замкнутыми ветвями. То же относится и к источнику питания Ек,так как схема на рис.10 справедлива только для переменных составляющих токов инапряжений. С учетом сказанного резисторы R1и R2, так же как и резисторы Rки RH (RH — нагрузка, подключается к выходным клеммам усилителя), оказываютсясоединенными параллельно. Поэтому в эквивалентной схеме фигурируют Rб = R1||R2и RkH= Rk||RH. Аналогично можнополучить эквивалентные схемы для каскадов ОБ и ОК. Применяя к эквивалентнымсхемам каскадов известные методы анализа электрических цепей (например, методконтурных токов), можно получить приближенные формулы дляоценки основных параметров усилительных каскадов, представленные в таблице. Вэтих формулах
RЭH = RЭ||RHRвх троэ = rf +rЭ(B+1), где rЭ=26 мВ/IЭА,R'=RrRб/(Rr+Rб), а Rr-внутреннее сопротивление источника сигнала. Для всех схем кр=кuкi.
/>
Верхняя граничная частота полосы пропускания (на этойчастоте Uвых в /> раз меньше, чем на среднейчастоте) транзисторного каскада зависит от параметров транзистора fh21б,B, Cк, rбиrэ, нагрузки RH,CH, внутреннего сопротивления источника сигнала Rrи схемы включения транзистора. Дkя любого усилительногокаскада fв=(2ptв)-1 где tв=G(tв+CкэRкH)+CHRкH. В последней формуле tв=(B+1)/ 2pfh21б, Cкэ=Cк(B+1), а коэффициент G для каждой схемы включения транзисторавычисляют по формулам таблицы.
Описание макета
Исследуемая в работе схема представлена на рис. II. Спомощью переключателей, расположенных на переднейпанели лабораторной установки, можно путем соответствующей коммутацииэмиттерной, базовой и коллекторной цепей транзистора собрать любой из трех усилительныхкаскадов (ОЭ, ОБ или ОК).
Для оценки входного тока усилителя служатизмерительные резисторы R1(ОЭ, ОК) и R6(ОБ). При этом iвх=(Uг-Uвх)/Rизм, где Uг.- напряжение на клеммах генератора, Uвх напряжение на входе усилителя (заизмерительным резистором).
При опенке выходного сопротивления усилителя
Rвых=Uвых xx/iвых кз будем считать, что холостой ход навыходе усилителя возникает, если установить RH=RHмакс,а режим короткого замыкания – при RH=RHмин,<sub/>так как других возможностейданная лабораторная установка не предоставляет.
/>
Рис. II. Схема макета лабораторной работы № 2
Питание усилительного каскада осуществляется отисточника G1, напряжение на выходе которогоустанавливают 10 В.
В исследуемой схеме стоит маломощный низкочастотныйтранзистор МП42А ( fh21б = 1¸3 мГц, В= 30¸50, rб= 200 Ом, Ск = 30 пФ, Ркмакс =200мВт). Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы: R1=1кОм, R2=11 кОм, R3=5.1кОм, R4=R5=R9=3.6 кОм,R6=470 Ом, R7=20Ом, R8=510 Ом, R10=10кОм, С1=С2=С3=20мкф.
Задание
Подготовить к работе генератор стандартных сигналов(ГСС) и милливольтметр переменного тока с большим входным сопротивлением.Ознакомившись с назначением органов управления лабораторной установки иприсоединив к ней измерительные приборы, подключить установку к сетипеременного тока.
1. Подавая на вход схемы синусоидальный сигнал счастотой fc=2кГц (средняя частота для усилителя) инапряжением Uг = 35 мВ, для каждого из усилительныхкаскадов ОЭ, ОБ, ОК провести экспериментальную оценку малосигнальных параметровкаскада Rвх, кi, кu, кр,Rвых различных сопротивлениях нагрузки RН. Построить зависимости параметровусилителя от RН.
2. Используя формулы таблицы, оценить те же параметрыусилителя и вычислить относительное расхождение между экспериментальными ианалитическими результатами.
3. Пользуясь экспериментальными данными определить,какой каскад и при каких RН обладаетнаибольшим усилением по мощности. Объясните почему?
4. Дать заключение, каксоотносятся между собой у различных каскадов кi,кu, Rвх,Rвых. Объясните полученныерезультаты.
5. Экспериментально определить верхнюю граничнуючастоту для каждогоиз каскадов ОЭ, ОБ и ОК при RН=R10.Напряжение на выходе ГСС поддерживать неизменным на всех частотах и равным 35мВ.
6. Рассчитать fв для каждогокаскада и сопоставить расчетные и экспериментально полученные значения междусобой.
Контрольные вопросы
1. Какова малосигнальная эквивалентнаясхематранзистора, транзисторных каскадов ОЭ, ОБ, ОК?
2. Чем отличаются между собой усилительные каскады ОЭ,ОБ, ОК (схемные различия, различия в параметрах и характеристиках)?
3. Как измерить входное и выходное сопротивленияусилителя, усиление по напряжению, току, мощности?
4. Объясните, почему возникают искажения втранзисторных каскадах? Какова природа возникающих искажений?
5. Дайте определение граничной частоты усилителя.
Литература
1. В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. Электроника.— М.:Высшая школа,1982. — С. I62-I78.
2. Е.И.Манаев. Основы радиоэлектроники. — М.: Радио исвязь, 1985. — С. 95-100, I30-I32.
Работа № 3. ключевой РЕжим РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРАЦель работы — исследовать статические режимы ипереходные процессы в схеме простого транзисторного ключа. Продолжительность работы- 3,5 часа.
Теоретическая часть
Транзисторные ключи (ТК) являются основой логическихэлементов ЭВМ. Дня отображения двоичных символов используются статическиесостояния ТК, в которых транзистор работает в режимах отсечки или насыщения. Вовремя переходных процессов при переключениииз одного статическогосостояния в другое транзистор работает в нормальном и инверсном активныхрежимах.
Основными параметрами статических состояний ТК являютсянапряжение насыщения Uкэн и обратный ток Jко. Режим отсечки ТК (рис. 12) характеризуется низким уровнемнапряжения
Uвых=-Ек+JкоRк»-Ек. Врежиме насыщения через ТК протекает ток
/> Uвых=Uкэ»0.
Основными параметрами переходных процессов являются:при включении ТК tз-время задержки и tф - длительностьфронта, а при выключении tрас — время рассасывания накопленного в базе заряда и tc — длительность среза.
На рис. 13 представлены временные диаграммы,иллюстрирующие переходные процессы в ТK. Время задержки/>, гдеtвх=RбСвх<sub/>; Uб0 — начальное напряжение на Свх.Длительность фронта определяется по формуле
/>
Рис. 13. Временные диаграммы работы транзисторногоключа
Для удобства измерения фронта его часто определяют каквремя нарастания тока от уровня 0.1Jкндо уровня 0.9Jкн; />. В этих формулах /> (fв-верхняя граничная частота каскада ОЭ), а /> — коэффициент насыщения.Ток базы, соответствующий границе насыщения, />
Время рассасывания заряда в базе />, гдеtu — время жизни неосновныхносителей в базе в режиме насыщения.
Время рассасывания характеризуется интервалом времениот момента подачи запирающего входного напряжения +Еб2 до момента, когдазаряд в базе уменьшается до граничного значения Qгр=Jбнtu,при котором транзистор переходит изнасыщенного состояния в активный режим. Если коллекторный переход запираетсяраньше эмиттерного (tк<tэ) тотранзистор переходит в нормальный активный режим, если наоборот (tэu< tкu),то в инверсный активный режим. В последнем случае на графике Jk и Uкпоявляется характерный выброс (рис. 13, штриховыелинии).
Заканчивается переходный процесс при выключениитранзистора срезом выходного напряжения (задним фронтом). Длительность tc можно оценить, считая, что процесс формирования заднегофронта заканчивается при Q»0. Тогда />.
Однако в реальных схемах большая часть среза выходногонапряжения происходит, когда транзистор находится в режимаотсечки.Поэтому длительность среза определяется постоянной времени tк=RкСкили tк=Rк(Ск+Сн) с учетом емкости нагрузки Сн.Конденсатор С в схеме ТК (рис. 12. пунктир) являетсяфорсирующим. Он позволяет увеличить токи базы Jб1 и Jб2нa короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базыпрактически не меняются, это приводит к повышению быстродействия ТК. Другимспособом увеличения быстродействия ТК является введение нелинейной обратнойсвязи. Диод с малым временем восстановления (диод Шоттки), включенный междуколлектором и базой, предотвращает глубокое насыщение ТК, фиксируя потенциал коллектораотносительно потенциала базы. Такие ТК называют ненасыщенными.
Описание макета
Макет, схема которого показана на рис. 14, позволяетисследовать статические состояния ключа и переходные процессы в нем. В первомслучае с помощью переключателя BI возможна подача вцепь базы низкого уровня напряжения от источника G1 ссопротивлением в его -цепи R1. Для измерения постоянныхтоков и напряжений в цепях ключа используется прибор, установленный на панели лабораторногостенда о пределами измерения тока J1=20 мА, J2=200 мкА, U1=20В, U2=0,2 В.
/>
Рис. 14. Схема макета лабораторной работы и 3
При исследовании переходных процессов на вход схемыподаются импульсы отрицательной полярности амплитудой не более 15 В от генераторапрямоугольных импульсов. В схеме макета предусмотрена возможность установки вколлекторной и базовой цепях транзистора различных деталей (резисторов иконденсаторов) с целью исследования влиянияих параметров на свойстваисследуемого ключа. Так, возможна смена резисторов в коллекторной цепи(переключатель В4), подключение к схеме ускоряющего конденсатора С2 (переключательВ2),подключение к выходу ключа нагрузочного конденсатора СЗ (переключатель ВЗ). Всхеме установлен маломощный низкочастотный транзистор МП42А ( fa= I...3 мГц, Вст = 30...60, Ск= 30 пф, Ркмакс=200мвт).Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы:
R1=75 кОм, R6=5,1 кОм R2=3 кОм R7=10 кОм R3=,130 Ом. R8=75 кОм R4=910 Ом, C1=10,0 мкф R5=30 кОм C2=1000 пФ C3=470 пф.Напряжение источника G1следует установить равным 10 В.
Задание
1. Измерить статический коэффициент усиления по токутранзистора, установленного в ключе.
2. Исследовать статические состояния ТК при различныхRк. Определить величину сопротивленияRк, соответствующую границе насыщения.
3. Исследовать характеристики ТК в динамическомрежиме. Выявить зависимости основных параметров переходных процессов tф,tрас,tc от амплитуда входного напряжения. Построитьсоответствующие графики. Для одногоиз значений входного напряжениярассчитать- tф,tрас,tc по приведенным формулам. Оценитьрасхождение расчетных величин и измеренных.
4. Исследовать влияние форсирующего конденсаторанаосновные параметры переходных процессов.
5. Определить, на какие параметры ТК оказывает влияниеконденсатор нагрузочной цепи.
6. Определить, прикаких параметрахкоммутируемых элементов схемы ТК макета возникает инверсное запирание.
Контрольные вопросы
1.Каково назначение ключевой схемы?
2.Какими основными параметрами характеризуется ключ?
3. Какзависят параметры переходных процессов от глубины насыщения?
4. Чтотакое инверсное запирание ТК?
5. Вчем смысл введения форсирующего конденсатора?
6. Каквлияет емкость нагрузки на длительность переходных процессов?
7. Каквлияет амплитуда входного сигнала на параметры ТК?
8. Поясните процессы в ТК по временной диаграмме.
Литература
Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. — U.: Высшая школа,1982. — 495 с., ил.
Работа №4. УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР В ШИРОКОПОЛОСНОМУСИЛИТЕЛЬНОМ КАСКАДЕ С RC –СВЯЗЯМИ.Цель работы — установить связь междупараметрами униполярного транзистора и других деталей схемы и параметрами ШУ,изучить способы расширения полосы пропускания ШУ.
Продолжительность работы — 3,5 часа.
Теоретическая часть
На рис.15 приведена принципиальная схема усилительногокаскада с RC-связями на униполярном транзисторе.Конденсаторы Cp1, Cp2.разделяют каскада по постоянномутоку, резистор R3 обеспечивает утечку тока в цеgи затвора.
/>/>При анализе работы усилителей на первом этапе рассматривают работусхемы на постоянном токе, т.е. определяют положение рабочей точки транзистора (Ic, Ucн, Uзн), атакже токи и напряжения для остальных ветвей схемы. Это часто и наиболее простоосуществляется графоаналитическим методом, предполагающим построениенагрузочной прямой Ic=(Ec-Uсн)/Rc и динамической стоко-затворнойхарактеристики транзистора Ic=f1(Uзн)при Rc=const, на которых намечают положениерабочей точки. В свою очередь, нагрузочная прямая и динамическаястоко-затворная характеристика предварительно строятся на семействахстатических стоковых Ic=f1(Uсн) при Uзн=const истоко-затворных Ic=f2(Uзн) при Uсн=const характеристик.На рис. 16 приведен примерный вид таких характеристик для униполярного транзистора.
От положения рабочей точки транзистора усилительногокаскада зависят параметры транзистора, а следовательно, и параметры усилителя,такие, например, как коэффициент усиления по напряжению кu0, допустимая величина входного напряжения Uвхмакспревышение которой ведет к искажениювыходного сигнала, коэффициент полезного действия и т.д. При заданных Ес и Rc изменить положение рабочейточки транзистора можно только за счет изменения напряжения источника Есм(см.рис.15).
/>
Рис.16. Статическиевольт-амперные характеристики униполярного транзистора: а) стоковые, б) стоко-затворные
Рабочая точка транзистора обычно выбирается близко ксередине линейного участка динамической стоко-затворной характеристики (классА). При этом будет обеспечена наибольшая величина допустимого входногонапряжения Uвхмакс при двуполярном (в частном случаесинусоидальном) входном сигнале.
При анализе работы схем на униполярных транзисторах попеременному току используется малосигнальная эквивалентная схема транзистора,изображенная на рис. 17а. Здесь Ri–внутреннее дифференциальное сопротивление транзистора (сопротивление канала), S — крутизна стоко-затворнойхарактеристики в рабочей точке, Сзн, Сзси Ccн — межэлектродные емкости транзистора, называемые соответственно входной,проходной и выходной. Этусхемуможно преобразовать в эквивалентнуюей (рис. 17б), в которой фигурирует входнаядинамическая емкость транзистора Свхдин, определяемая соотношением Свхдин=Сзн+Сзс(1+К), где К — коэффициент усиления каскада по напряжению. На рис. 17в-д показаныэквивалентные схемы усилительного каскада отдельно для средних, высоких инизких частот. На средних частотах, когда реактивные компоненты схемы можно неучитывать, нетрудно получить формулу для коэффициента усиления по напряжению кu0=S(Ri||Rc||Rн).Учитывая, что в большинстве случаев Ri>>Rc и Rн>>Rc, кu0@SRс.
/>
Навысоких частотах нельзя пренебрегать емкостями, шунтирующими нагрузку. К нимотносятся: выходная емкость рассматриваемого каскада, входная динамическая емкостьтранзистора следующего каскада (или емкость нагрузки) и паразитная монтажнаяемкость. Эти емкости включены между собой параллельно, поэтому в эквивалентнойсхеме рис. 17г емкость С0<sub/>равна их сумме.
Постояннаявремени tв перезарядазаряда емкости С0 равна: tв=С0(Ri||Rc||Rн). Соответственновысшая граничная частота fв полосы пропускания усилителяопределяется как fв =(2ptв)-1. Расширитьполосу пропускания усилителя в условиях, когда уже заданы Rн и тип транзистора, можно только за счетуменьшения Rc. Однако приэтом уменьшается кu0.
На низких частотах становится заметным сопротивлениеразделительного конденсатора Ср. Постоянная времени tн перезаряда Ср как видно из эквивалентной схемарис. 17д, равна tн =ср(Ri||Rc+Rн), и если в качестве Rн выступает Rзпоследующего каскада, то Rн>>Rc,и тогда tн@СрRн.Низшая граничная частота fн полосы пропусканиясвязана с tнследующим образом: fн=(2ptн)-1.Поэтому для расширения полосы пропускания усилителя в сторону низших частотнужно увеличивать Ср иRн.
Амплитудные характеристики усилителя Uвх=f(Uвх)по которым определяют кu0 и Uвхмакс, обычно снимаются насредней /> или близкoйк нейчастоте. На этой частотесдвиг по фазе между выходным и входнымсигналами отсутствует, а влиянием реактивных компонентов на работу схемы можнопренебречь.
При усилении импульсных сигналов усилитель с ограниченнойполосой пропускания (в пределах fв -fн ) искажаетих форму. Если подать на входусилителя идеальный прямоугольный импульс, тона выходе получится сигналс длительностью фронта tф=2,2tв иотносительным спадом вершины dU=DU/Um=tи/tнгде DU -абсолютный спад вершины импульса, а Um и tи.– соответственно амплитуда идлительность выходного импульса.
Одним из путей расширения полосы пропусканияусилителя, а следовательно, уменьшения искажения усиливаемых импульсных сигналовявляется дополнение усилителя специальными корректирующими цепями. Такие цепипредставлены на принципиальной схема усилителя рис. 18а. Здесь RфиСфобеспечивают улучшение низкочастотных свойств усилителя, а Lк- высокочастотных. Действие этих цепей основано на увеличении сопротивлениянагрузки в выходной (стоковой) цепи транзистора на тех частотах, где внекорректированном усилителе наблюдался спад усиления.
/>
Рис.18. Принципиальная схема широкополосного усилителяс цепями коррекции а) и его эквивалентные схемы на низких б) и высоких в)частотах
В области низких частот эквивалентную схему выходнойцепи усилителя можно представить как на рис. 186. Она построена (с цельюупрощения анализа) в предположении, что Ri и Rф значительно больше Rс. Израссмотрения этой эквивалентной схемы вытекает, что выходное напряжение,определяемое формулой
/>
не будет зависеть от частоты,если обеспечить равенство произведений RсСф и RнСр. Если же допустить, что RсСф< RнСр , то с уменьшением частоты будет наблюдатьсяне спад. а рост выходного напряжения (перекоррекция). Усилитель будетнедокорректирован, когда RсСф >RнСр .
Добавление дросселяLк (элемент высокочастотной коррекции в стоковой цепитранзистора) позволяет получить в выходной цепи усилителя параллельныйколебательный контур (рис. 18в). резонирующий на частоте />, которая выбираетсявозле верхней граничной частоты некорректированного усилителя. Поскольку на резонанснойчастоте и возле нее сопротивление параллельного резонансного контура, близкое к/> где/>оказывается большемодуля сопротивленияzc ,стоящегов выходной цепи транзистора у некорректированного усилителя /> то и выходное напряжениекорректированного усилителя возле wрезбольше. Дня получения наилучшей форме переходной, амплитудно-частотной ифазочастотной характеристик добротность колебательного контура Q выбирается небольшой,т.е. чтобы коэффициент коррекции m=Q2 находилсяв пределах 0,322...0,414.
Описание макета
Исследуемая схема представленана рис.19.Схема позволяет выполнять следующие эксперименты:
— снимать статические и динамические стоко-затворныехарактеристики транзистора о целью правильного выбора положения рабочей точкитранзистора. При этом изменяется напряжение источника G2и регистрируется ток стока с помощью миллиамперметраI1;
— изменять сопротивления резисторов и емкостиконденсаторов в выходной цепи транзистора с помощью переключателей, расположенныхна передней панели макета;
— связывать специальные клеммы, к которым подключенырегистрирующие в приборы (милливольтметр и осциллограф) с любой контрольнойточкой схемы с помощью специальных клавиш.
Исследование работы усилителя проводить при Ес, равном10 В. В макете установлен маломощный транзистор КП103М с параметрами S³1,3 мА/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.
/>
Рис. 19. Схема макета лабораторной работы № 4
Подготовить к работе генератор стандартных сигналов,милливольтметр переменного тока, осциллограф и генератор прямоугольныхимпульсов. Ознакомившись с назначением органов управления лабораторнойустановки и присоединив к ней измерительные приборы, подключить установку ксети.
1. Обеспечить работу усилителя в классе А.
2. Экспериментально определить коэффициент усиленияусилителя по напряжению, и динамический диапазон усилителя Uвхмакспри различных Rс. Дать заключение, как влияетсопротивление 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 дня усилителя, имеющего наиболееширокую полосу пропускания (без цепей коррекции),
5. Дать заключение о влиянии параметров транзистора идеталей схемы на граничные частота полосы пропускания усилителя.
6. Расширить полосу пропускания усилителя (посравнению с п.4) за счет применения цепей коррекции. Снять и построить АЧХ и оценить,на сколько при этом изменились граничные частоты.
7. Исследовать прохождение импульсного сигнала спараметрами tн= 10 мкс и f = 10 кГц через линейный усилительдля вариантов схемы п.3, п.4 и п.6. Оценить искаженияформы прямоугольного импульса в каждом случае и найти по искажениям граничные частотыусилителя.
8. Рассчитать кu0, fв, fн длярассматриваемых вариантов усилителя и оценить относительную разность междувычисленными и экспериментально найденными значениями параметров.
Контрольные вопросы
1. Чемразличаются между собой статические и динамические ВАХ униполярноготранзистора?
2.Каковы источники НЧ и ВЧ искажений в усилителе?
3. Какрасширить полосу пропускания усилителя?
4.Какие детали определяют коэффициент усиления по напряжению усилителя и егодинамический диапазон?
5. Какова связь между граничными частотами полосыпропускания усилителя и искажениями формы прямоугольного импульса, усиливаемогоим?
Литература
Манаеа Е.И. Основы радиоэлектроники. — М.: Радио исвязь,1985. — С. I59-I62, 209-216.