Изучение работы усилительного каскада на биполярном транзисторе (p-n-p) по схеме ОЭ (Готовые лабораторные работы)

Цель работы: изучение работы усилительного каскада на биполярном транзисторе (p-n-p) по схеме ОЭ, определение его параметров и характеристик.

Задачи работы: определение коэффициента усиления каскада, получение АХ и АЧХ; определение по АХ усилителя коэффициентов усиления по напряжению и диапазоны входных напряжений, при которых не наблюдается отсечки амплитуды выходного напряжения; определение по АЧХ граничных частот усиливаемого сигнала; сравнение экспериментальных данных с теоретическими.

Теоретический раздел.

Результаты эксперимента, которые будут приведены ниже, следует обосновать предварительным теоретическим моделированием усилительного каскада на базе биполярного транзистора , включенного по схеме ОЭ, посредством использования рабочих сред MC7 и Matlab2006. Результатом данного моделирование станет определение характеристик физической схемы замещения данного усилителя, куда следует включить коэффициент усиления по напряжению для средних частот (K_U(СЧ)) в режиме линейного усиления (т.е. при таких значениях входного напряжения, при которых не происходит отсечки амплитуды выходного сигнала или его значительного искажения из-за выхода транзистора в режим насыщения), амплитудные характеристики для различных параметров схемы замещения усилительного каскада и зависимость коэффициента гармоник для двух вариантов исполнения каскада: с местной отрицательной обратной связью по переменному напряжению и без нее, а также получить частотные характеристики, пользуясь их приближенными аналитическими представлениями с привлечением временных параметров усилительного каскада.

Приведем схему исследуемой модели усилительного каскада.

Рисунок 1. Схема исследуемого усилительного каскада на базе транзистора в режиме ОЭ.

1.Определение точки покоя.

Для этой цели проанализируем схему замещения усилителя в режиме постоянного тока. Используя законы Кирхгофа, составим уравнение для определения параметров точки покоя.

Eп=Ic*(R3+R4)+Ie*(R1+R2)+Uce,

Для дальнейших расчетов полагаем B=30, Ic=Ie.

Таким образом, получаем уравнение вида:

Eп=Ic*(R3+R4+R1+R2)+Uce=3843*Ic+Uce=15 ;

Ток эмиттера также определим посредством использования 2-го закона Кирхгоффа:

Ub=Ep/(R5+R6)*R6=15/(27+4)*4=1.94 B;

Ue=Ub-0.36=1.58 B → Ie=Ue/(R1+R2)=1.58/(33+510)=2.9 mA≈Ic.

С целью определения коэффициента усиления перейдем к схеме замещения по переменному току на частоте f=1 кГц.

Ku=Uвых/Uвх=Ic*Rcn/(Ib*rвх)=B*(Rc||Rn)/rвх

Rcn=1.1*2/(1.1+2)=0.71 кОм.

Для определения rвх обратимся к схеме замещения усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ.

Рисунок 2. Схема для определения входного сопротивления транзистора.

Параметры транзистора имеют значения :

rb=100 Om, re=25/Ie=25/2.9=8.6 Om.

Согласно 2-му закону Кирхгофа и закону Ома :

rвх=Uвх/Iвх=(Ib*rb+re*(B+1)*Ie)/Ib≈ rb+re*B=100+8.6*30=358 Om.

Отсюда Ku=30*710/358≈60.

В случае нагрузки Rn=1 MOm,→ Ku=30*(1100II10⁶)/358=92.

Далее определим уравнение нагрузочной прямой, используя схему замещения выходной цепи:

Uce

Ic

re B*Ib Rcn

Согласно 2-му уравнению Кирхгофа Uce=-Ic*Rcn.

Таким образом, для Rn=2 KOm и Rn=1 MOm нагрузочные прямые имеют вид:

Uce1=-Ic*710 и Uce2=-Ic*1100 соответственно. Данные прямые следует провести через точку покоя.

Определим максимальную выходную и входную амплитуды, используя построенные нагрузочные прямые.

Для Rn=2 Kom,→Uвых.макс=2.6 В,→Uвх.макс=2.6/Ku=2.6/60=0.043 В.

Для Rn=1 Mom,→Uвых.макс=3.19 В,→Uвх.макс=3.19/Ku=3.19/60=0.035 В.

В случае введения отрицательной обратной связи положение нагрузочнойпрямой не меняется(Rcn=710 Om), однако изменяется значение коэффициента усиления Ku:

Kuooc=Ku(СЧ)/(1+Bос*Ku(СЧ))=60/(1+(33/710)*60)≈16, Boc=R1/Rcn.

Таким образом, в случае Rn=2 KOm и ООС значение максимальной входной амплитуды:

Uвх(оос).макс=Uвых(оос).макс/Kuooc=2.6/16=0.163 В.

Рисунок 3. Нагрузочные прямые.

Построим амплитудные характеристики усилительного каскада для 3-х режимов работы [ Rn=2 KOm, Rn=1 MОm и Rn=2KOm(при оос) ]:

Рисунок 4. АХ усилительного каскада для 3-х типов исполнения (модельная).

Согласно теоретическим данным, полученным в результате моделирования усилительного каскада на рабочем поле МС7, получен следующий анализ схемы по постоянному току:

Рисунок 5. Анализ схемы по постоянному току в МС7.

Очевидно, что результаты на рис.7 приблизительно соответствуют модельным расчетам:

Ic(теор)=2.5 mA≈Ic=2.9 mA; Uce(теор)=5.3 B≈Uce=4.44 B.

Получим теперь временную зависимость выходного сигнала для различных значений амплитуды входного сигнала:

Рисунок 6. Временная зависимость выходного сигнала для различных входных амплитуд.

Полученные значения амплитуды выходной гармоники для 3-х вариантов схемы сведем в таблицу:

Таблица 1. Модельные данные по амплитуде выходной гармоники.

По данным таблицы 1 построим амплитудную характеристику усилительного каскада для каждого из 3-х вариантов схемы:

Рисунок 7. Модельные АХ для 3-х исполнений схемы усилительного каскада.

Определим граничные частоты для их последующего сопоставления с модельной АЧХ усилительного каскада. АЧХ строятся для 3-х пар емкостей Сn и Cp2:

(Cp2₁,Cn₁) =­1 мкФ, 750 пФ;

(Cp2₂,Cn₂) =­10 нФ, 750 пФ;

(Cp2₃,Cn₃) =­1 мкФ, 10750 пФ;

Нижняя граничная частота определяется соотношением:

Fн=Fн_вх+Fн_вых+Fн_сэ ; Fнi=1/(2π*tнi); tнi – постоянная времени соответствующей цепи.

Fн_вх=1/(2π*tн_вх)=1/(2π*( Rг+Rвх)*С1)=1/( 2π*(Rг+R6//R5//rвх)*С1)≈3 Гц

Fн_сэ=1/(2π*tн_сэ)= 1/(2π* Rэ*Сэ)=1/(2π*( R1+R2)*С2)≈1 Гц

Fн_вых=1/(2π*tн_вых)= 1/(2π* (Rc+Rn)*Сp2)=1/(2π*( R3+R7)*С3)≈51,3*10^-6/C3→

Fн1_вых=51,3*10^-6/Cp2₁=51.3 Гц

Fн2_вых=51,3*10^-6/Cp2₂=5130 Гц

Fн1=55.3 Гц; Fн2=5134 Гц

Верхняя граничная частота определяется, как:

Fв=Fв_тр+Fв_вых;

Fв_тр=f_пред*(rb+re*[1+B])/(rb+re)=76000*(100+25/2.9*31)/(100+25/2.9)≈405598 Гц

Fв_вых=1/(2π*tв_вых*Сn)= 1/(2π*Rc||Rn*Сn)≈0.023/Cn

Fв1_вых=0.023/Cn₁=31345678 Гц≈31,35 МГц

Fв2_вых=0.023/Cn₃=2139535 Гц≈2,14 МГц

Fв1= Fв_тр*Fв1_вых/( Fв_тр+Fв1_вых)=406345 Гц

Fв2= Fв_тр*Fв2_вых/( Fв_тр+Fв2_вых)=344977 Гц

Получив теоретические значения граничных частот, построим модельные АЧХ и ФЧХ:

Рисунок 8. Модельные АЧХ и ФЧХ усилительного каскада для 3-х значений емкостных пар Сn и Cp2.

Экспериментальная часть.

Схема исследуемого лабораторного макета усилительного каскада представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. Исследуемый усилительный каскад на базе биполярного транзистора.

Экспериментальное исследование каскада заключалось в построении амплитудных и амплитудно-частотных характеристик усилителя для рассмотренных выше вариантов исполнения схемы.

ОПЫТ1. Снятие АХ каскада.

Измерение АХ производилось по осциллограммам входного и выходного напряжений. В качестве величин этих напряжений принимался размах сигналов, т.е. разница между их максимумом и минимумом.

Начальное значение входного напряжения было выбрано таким образом, что имела место отсечка одной из полуволн выходного напряжения.

Затем, входное напряжение уменьшалось с постоянным шагом до получения не менее 5 экспериментальных точек. Процедура была повторена для трех вариантов исполнения схемы.

Экспериментальные данные сведём в таблицу 2:

Таблица 2. Экспериментальные данные по АХ.

По данным таблицы 2 построим АХ для всех 3-х исполнений усилительного каскада.

Экспериментальные АХ изображены на рис.10.