Электроника Задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов специальности 210700 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» (стр. 3 )

Лабораторная работа. Транзисторные усилители

Цель работы. Экспериментальное исследование транзисторного каскада с общим эмиттером.

Содержание работы

В работе проводится сравнительный анализ трёх схем (рис. 2) на кремниевых биполярных транзисторах КТ3102А, исследуется методика настройки и температурная стабильность режима покоя транзисторных усилительных каскадов с общим эмиттером, оценивается влияние отрицательной обратной связи на температурную стабильность, исследуется зависимость коэффициента усиления от частоты, измеряются нелинейные искажения.

Рис. 2. Схемы каскадов с общим эмиттером

Настройка режима покоя

В работе режим покоя усилительного каскада выбирается из условия получения максимальной амплитуды выходного напряжения при малых нелинейных искажениях. Это возможно, когда напряжение коллектор-эмиттер в режиме покоя равно примерно половине напряжения источника питания.

Для настройки режима покоя можно воспользоваться режимом моделирования Analysis>DC Sweep, изменяя напряжение источника V2, или режимом Analysis>Parametr Sweep, изменяя величину сопротивления одного из резисторов, например Rб1, в цепи базы.

Карта потенциалов всех узлов, полученная в режиме моделирования Analysis>DC Operation Point после настройки всех трёх схем, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Карта потенциалов узлов в режиме покоя

Как видно из рис. 3, для получения заданного режима покоя необходимо установить напряжение база-эмиттер примерно (0,65…0,7) В, характерное для кремниевых транзисторов.

Исследование температурной стабильности режима покоя

В первой схеме на транзисторе VT1 режим покоя задаётся идеальным источником постоянного напряжения с нулевым внутренним сопротивлением. В этом случае отсутствует отрицательная внутренняя обратная связь по току эмиттера в транзисторе, и каскад обладает такой же температурной стабильностью, как и сам транзистор. Результаты исследования зависимости потенциала коллектора от температуры, полученные в режиме моделирования Analysis>Temperature Sweep, приведены на рис. 4. Как следует из результатов эксперимента, при изменении температуры на 10°С ток коллектора и связанный с ним потенциал коллектора изменяются примерно в 2 раза.

Рис. 4. Температурная нестабильность транзистора в схеме с общим эмиттером

В схеме на транзисторе VT2 режим покоя задаётся цепью смещения, состоящей из делителя напряжения в цепи базы. В этой схеме в транзисторе действует внутренняя отрицательная обратная связь по току эмиттера, улучшающая стабильность режима покоя примерно в F≈1+BrЭ/RБ раз, где RБ – эквивалентное сопротивление в цепи базы, равное параллельному соединению сопротивлений резисторов в делителе цепи смещения. Результаты моделирования этой схемы показаны на рис. 5.

Рис. 5. Температурная нестабильность режима покоя простейшего каскада с общим эмиттером

В схеме на транзисторе VT3 в цепь смещения введено сопротивление обратной связи Rэ. Такая цепь смещения автоматически следит за изменением тока эмиттера, стабилизируя режим покоя и улучшая температурную стабильность примерно в F≈1+BRЭ/(RБ+RЭ) раз. Результаты исследования зависимости потенциала коллектора от температуры в схеме с цепью автоматического смещения по току эмиттера, полученные в режиме моделирования Analysis>Temperature Sweep, приведены на рис. 6.

Рис. 6. Температурная нестабильность режима покоя каскада с общим эмиттером и температурной стабидизацией по току эмиттера

Исследование усилительных свойств

Усиление напряжения в рассматриваемых схемах зависит от потерь напряжения во входной цепи и усиления, обусловленного свойствами транзистора. Уменьшение усиления в области нижних частот связано с зависимостью ёмкостей конденсаторов от частоты. Уменьшение усиления в области верхних частот обусловлено ухудшением усилительных свойств транзисторов с ростом частоты и наличием паразитных ёмкостей, шунтирующих входную и выходную цепи каскада. В области средних частот, когда влияние ёмкостей несущественно, коэффициент усиления напряжения схемы на транзисторе VT2 примерно равен KU. ОЭ≈(RК| |rН)/rЭ, а схемы на транзисторе VT3 – KU. ОЭ≈(RК| |rН)/(rЭ+RЭ). Результаты исследования амплитуды выходного напряжения от частоты при амплитуде входного напряжения 10 мВ показаны на рис. 7. При этом исследовании конденсатор в цепи эмиттера был отключён.

Рис. 7. Логарифмические амплитудно-частотные характеристики усилительных каскадов

Как следует из результатов анализа, данные каскады при сопротивлении нагрузки 10 кОм обеспечивают коэффициенты усиления напряжения примерно 50 и 90. Верхняя граничная частота полосы пропускания на уровне минус 3 дБ (на уровне 0,707) равна примерно 13 МГц.

Зависимость усилительных свойств каскада на транзисторе VT3 от ёмкости конденсатора в цепи эмиттера показана на рис. 8. Частотные характеристики получены в режиме моделирования Analysis>Parameter Sweep при следующих значениях ёмкостей: (100; 10; 1; 0,1) мкФ.

Рис. 8. Амплитудно-частотные характеристики при различных ёмкостях конденсаторов в цепи эмиттера

Исследование нелинейных искажений

Схема на транзисторе VT2 имеет плохую температурную стабильность и, как видно из рис. 9, вносит значительные нелинейные искажения. Если амплитуда напряжения база-эмиттер в этой схеме не превышает температурного потенциала полупроводника (цТ), то для количественной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться формулой КГ≈UmБЭ/4цТ, учитывающей только вторую гармоническую составляющую нелинейного преобразования.

Рис. 9. Временные диаграммы напряжений на выходе транзисторных каскадов

На рис. 10 показаны спектральный состав выходного напряжения и соответствующий ему коэффициент гармоник при амплитуде входного синусоидального напряжения 20 мВ. Спектральный анализ выходного напряжения выполнен с использованием режима Analysis>Fourier (Фурье-анализ). Как видно из рисунка, в спектре выходного напряжения, кроме основной гармонической составляющей с амплитудой 2 В и частотой входного сигнала 1 кГц, появилась постоянная составляющая и высшие гармонические составляющие, вызванные нелинейными искажениями.

В схеме с отрицательной обратной связью выходное напряжение практически повторяет треугольную форму входного напряжения (см. рис. 9, узел 9). Однако эта схема обладает меньшим коэффициентом усиления, в результате чего амплитуда выходного напряжения равна около 100 мВ. Чтобы сравнить нелинейные искажения двух схем при одинаковых условиях, в схеме с транзистором VT3 следует подать такую амплитуду входного напряжения, при которой на выходе установится амплитуда 2 В. При расчёте коэффициента гармоник в схеме с отрицательной обратной связью глубиной F можно воспользоваться формулой КГ≈UmБЭ/4FцТ. Результаты оценки нелинейных искажений в схеме с отрицательной обратной связью (без конденсатора в цепи эмиттера), показаны на рис. 11.

Рис. 10. Спектральный состав выходного напряжения в схеме без обратной связи

Рис. 11. Спектральный состав выходного напряжения в схеме с отрицательной обратной связью

Библиографический список

Либерман, на железнодорожном транспорте: учеб. пособие для вузов. – М.: Транспорт, 1987. Электронные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: учебник для вузов / под ред. . М.: Транспорт, 1989. Опадчий, Ю. Ф. [и др.]. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): учебник для вузов / [и др.]. – М.: Горячая линия – Телеком, 1999. Духанин, в схемотехнику электронных устройств. Элементная база: учеб. Пособие / . – Ростов н/Д, РГУПС, 1998. Духанин, в схемотехнику электронных устройств. Основы аналоговой схемотехники: учеб. пособие / . – Ростов н/Д, РГУПС, 1999. Духанин, в схемотехнику электронных устройств. RC-цепи: практическое руководство. / . – Ростов н/Д, РГУПС, 1993. Духанин, в схемотехнику электронных устройств. Основы расчёта и моделирования: учеб. пособие / . – Рост. Гос. ун-т путей сообщения. Ростов н/Д, 2001. Степаненко, микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / . – М.: Лаборатория Базовых знаний, 2001. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство: пер. с нем. / У. Титце, К. Щенк. – М.: Мир, 1982. Хоровиц, П. Искусство схемотехники: в 2 т.: пер. с англ. / П. Хоровиц, У. Хилл. – М.: Мир, 1986. Зайцев, А. А. [и др.]. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: справочник / [и др.]; под ред. . – М.: Радио и связь, 1995. Зайцев, А. А. [и др.]. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: справочник / [и др.]; под ред. . – М.: Радио и связь, 1995. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: справочник / [и др.]. – Мн.: Беларусь, 1994.