Лабораторные работы по аналоговой схемотехнике (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.

Кафедра “Информационные радиосистемы”

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
ПО АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКЕ

Методические указания к лабораторным работам № 1, 2, 3, 4, 5 по дисциплинам: “Схемотехника” для специальности 079900 —Информационные системы, “Аналоговая и цифровая схемотехника” для  студентов специальности 071700 —Физика и техника оптической связи всех форм обучения

НИЖНИЙ НОВГОРОД

2008

Составитель

УДК        621.396.6

Лабораторные работы по аналоговой схемотехнике: метод. указания к лабораторным  работам  № 1, 2, 3, 4, 5 по дисциплинам: “Схемотехника” для специальности 079900 — Информационные системы, “Аналоговая и цифровая схемотехника” для студентов специальности 071700 — Физика и техника оптической связи  всех форм обучения/ НГТУ; сост.: . Н. Новгород, 32с, 2008.

Даны краткие  сведения по теории для подготовки к выполнению лабораторных работ. Приводятся контрольные вопросы для самопроверки и рекомендуемая литература для более глубокого изучения материала по каждой работе.

Научный редактор:

проф., д. т.н.

Редактор

Подп. 14.01.08 г. Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная.

Печ. л. 2. Уч.-изд. л. 1,75. Тираж 300 экз. Заказ  .

Нижегородский государственный технический университет им.

Типография НГТУ.603950, Н. Новгород, ул. Минина, 24.

  ©  Нижегородский государственный

  технический университет, 2008 г.

Лабораторная работа № 1

Исследование работы  усилительного каскада

на биполярном транзисторе с общим эмиттером

1. Цель работы

Изучение методов расчета и анализа работы простейшей схемы усили­тельного каскада в схеме с общим эмиттером (ОЭ) на биполярном транзисторе.

2. Краткие теоретические сведения

Транзистор — полупроводниковый прибор с последовательно вклю­ченными двумя полупроводниковыми p–n переходами, располагающий тремя и более выводами. Различают p–n–p и n–p–n транзисторы, имеющие разную последо­вательность расположения полупроводниковых структур (рис. 1). 

  n-p-n  p-n-p 

  Рис. 1 

Два электронно-дырочных перехода транзистора могут быть смещены внешним источником напряжения либо в прямом (переход открыт), либо в обратном (переход закрыт) направлениях. В зависимости от состояния переходов различают три основных режима работы транзистора:

— активный (один открыт, другой закрыт);

— насыщение (оба открыты);

— отсечка (оба закрыты).

Пусть переход база – эмиттер смещен в прямом направлении и в цепи базы течет ток Iб. Тогда при условии, что переход база – коллектор смещен в обрат­ном направлении, транзистор будет находиться в активном режиме работы. В этом состоянии, пренебрегая теп­ловым обратным током коллекторного перехода IБК0≈0, можно получить

IК=βIБ,

где IК — ток коллектора, а β>>1 — коэффициент усиления транзистора по току. Полагая цепь базы входной, а коллектора выходной, можно получить усиление по току слабого входного сигнала на выходе. При этом могут быть использованы три основных схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК) (рис.2).

Рис. 2

2.1. Статические характеристики биполярного транзистора. Рассмотрим схему включения транзистора с ОЭ. Работу транзистора можно описать с помощью семейства входных и выход­ных статических характеристик. Для нее входная характеристика это IБ(UБЭ) при UКЭ=const, где IБ — ток базы, UБЭ — напряжение база – эмиттер, UКЭ — напряжение коллектор – эмиттер. Типичное семейство входных характеристик при UКЭ=0 и UКЭ> 0 показано на рис. 3.

  Рис. 3

Если UКЭ=0, то входная характеристика представляет собой вольт-амперную характеристику двух параллельно включенных p–n переходов. При прямом смещении переходов UБЭ>0 возникают токи IК и IЭ, суммируемые в базе.

  Если UКЭ>UКЭн, где UКЭн — напряжение коллектор – эмиттер насыщения, то переход база – эмиттер смещен в прямом направлении, а база – коллектор в обратном. Тогда без учета обратного тока коллектора эта характеристика обусловлена вольт-амперной характеристикой одного p–n-перехода база – эмиттер, следовательно, базовые токи будут меньше при том же напряжении UБЭ и характеристика пойдет ниже.

Выходной вольт-амперной характеристикой транзистора называется за­висимость тока коллектора от напряжения коллектор – эмиттер IК(UКЭ) при IБ=const. Она представлена на рис.4.

Рис. 4

Область допустимых значений тока коллектора и напряжения на коллекторе ограничены максимальными предельно допустимыми значениями UКЭ≤UКЭМ, IК≤IКМ. Область допустимых значений мощности, рассеиваемой на транзисторе, IКUКЭ≤PМ = UКЭМ·IКМ также ограничена. Эти области на вольт-амперной характеристике лежат внутри штриховки. Из выходных характеристик видно, что они являются нелинейными. Их можно раз­бить на два характерных участка: с большой крутизной при UКЭ ≤ UКЭн  и пологим участком при UКЭ > UКЭн.

Для крутого участка UКЭ<UКЭн≤ UБЭ и переход база – коллектор UБК=UБЭ–−UЭК>0 смещен в прямом направлении. Транзистор находится в со­стоянии насыщения, так как оба его перехода открыты.

На пологом участке переход база – эмиттер смещен в прямом направле­нии, а база – коллектор в обратном. Транзистор находится в активном режиме, для которого IК≈βIБ, и практически не зависит от UКЭ. Выходная проводимость мала, и он может быть представлен как управляемый источник тока.

2.2. Анализ работы усилительного каскада с ОЭ в статическом режиме. Рассмотрим работу простейшего усилительного каскада на биполярном транзисторе, представленного на рис.5.

Рис.5

В схеме E0 – напряжение источника питания, R1 и R2 — резисторы во входной и выходной цепи каскада. На вход каскада совместно с полезным сигналом UВХ поступает постоянное напряже­ние UСМ, обеспечивающее постоянный ток покоя в цепи базы через резистор R1, равный IБП≈UСМ/R1. При этом в выходной цепи возникает ток покоя колл­ектора:

IКП=βIБП=(E0–UЭК) / R2 .  (1)

С другой стороны, зависимость тока коллектора IК от UКЭ задается для данного IБ выходными характеристиками. Зависимость (1) описывает статическую нагрузочную ха­рактеристику, которую можно определить по пересечению с осями. Из (1) получим

IК=0, UКЭ=E0,

UКЭ=0, IК≈E0/R2 ,

что и показано в виде прямой на графике выходных характеристик на рис.4. Точка пе­ресечения статической нагрузочной характеристики (1) и выходной характе­ристики IК(UКЭ) для IБП дает  рабочую точку или точку покоя. Ее стараются выбирать на середине линейного участка нагрузочной харак­теристики каскада. Выбор положения рабочей точки каскада можно осуществить путем изменения тока покоя базы IБП подбором номинала резистора  R1. Такой режим работы каскада называют линейным или режимом класса А.

Если UСМ=0, то рабочая точка находится IК= 0, UКЭ= E0 и усилению подвергаются сигналы только положительной полярности Uвх>0. Такой режим работы усилительного каскада называется режимом класса В.

2.3. Анализ работы каскада с ОЭ по полезному сигналу (динамический режим). Для удобства анализа работы активного элемента представим его в виде эквивалентной схемы. Это можно сделать при условии  постоянства пара­метров активного элемента для малых изменений входных и выходных напряжений и токов. Применяют метод замещения активного элемента четырехполюсником, описываемым через матрицы Y, H и т. д.  параметров. Другой метод заключается в замене транзистора его эквивалентной так называемой физической моделью.

На рис. 6 представлена упрощенная эквивалентная физическая модель би­полярного транзистора (без учета емкостей p–n переходов) в активном режиме.

Рис. 6

На схеме  RЭ, RК, RБ − объемные сопротивления эмиттера, базы и коллектора, а ΔIК = βΔIБ – управляемый током базы источник тока коллектора. Будем рассматривать малые изменения входного сигнала ΔUВХ  в виде изменения ΔIБ, ΔIЭ и ΔIК. Для таких изменений параметры транзистора RЭ, RК, RБ и β будем считать постоянными. Тогда транзистор можно представить в виде линейного четырехполюсника, провести анализ его работы линейными методами и найти его основные характеристики. Будем предполагать также, что источники постоянного напряжения UСМ и E0 идеальные, их внутренние сопротивления равны нулю и они на эквивалентной схеме по переменной составляющей могут быть заменены коротким замыканием (КЗ). Тогда для анализа усилительного каскада с ОЭ по полезному сигналу его эквивалентную схему можно представить в виде, показанном на рис.7.

Рис.7

При RК >>RЭ, RБ сопротивление коллектора RК можно не учитывать.  Найдем входное сопротивление эквивалентной схемы с учетом введен­ных на ней обозначений. Оно будет равно

RВХ= R1 + (UВХ/ΔIБ) =R1+ [(ΔIБ RБ+ ΔIЭ RЭ)/ΔIБ]=R1+RБ+(1+β)RЭ.

Выходное сопротивление каскада в режиме холостого хода (без нагрузки RН), с учетом бесконечно большого внутреннего сопро­тивления источника тока ΔIК=βΔIБ, равно R2. Коэффициент передачи схемы без нагрузки по напряжению  равен

KU ХХ= –ΔIК R2 /ΔIБRВХ = –βRВЫХ/RВХ.  (2)