11937

Исследование свойств модели резисторного каскада с общим эмиттером в частотной и временной областях на ПК

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №1. Исследование свойств модели резисторного каскада с общим эмиттером в частотной и временной областях на ПК. 1.Цель работы: Изучить свойства каскада ОЭ в режиме малого сигнала в частотной и временной областях. Исследовать влияние сопр

Русский

2013-04-14

479.12 KB

31 чел.

Лабораторная работа №1.

Исследование свойств модели резисторного каскада с общим

эмиттером в частотной и временной областях на ПК.

1.Цель работы:

    Изучить свойства каскада ОЭ в режиме малого сигнала в частотной и временной областях. Исследовать влияние  сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Изучить изменение свойств каскада ОЭ при введении отрицательной обратной связи (ООС). Исследования проводятся на компьютере с использованием программы “Fastmean”.

            На рис.1 приведено наглядное изображение включения транзистора с ОЭ.  По определению, эмиттер присоединён к проводу, общему между входом и выходом схемы.

                                                

                                  Рис.1 Схема включения транзистора с ОЭ

                                                     2.  Подготовка к работе:

2.1. Изучить литературу: Учебник [1], конспект лекций по курсу “Основы схемотехники”.

2.2. Ознакомиться с указанием по использованию программы “Fastmean” .

2.3. Изучить п. 3 (основные сведения) настоящих методических указаний.

3. Основные сведения

Полная  принципиальная  схема каскада ОЭ представлена на рис.6.

Изучение свойств каскада необходимо разбить на три части:

3.1  Реализация точки покоя.                                                                                                        

3.2      Исследование свойств каскада ОЭ  по сигналу.

3.3 Влияние отрицательной обратной связи на свойства каскада.

Каждая  часть состоит из пунктов, которые подробно рассмотрены далее.

Часть 3.1   Реализация точки покоя состоит из пяти пунктов:

3.1.1 Расчет сопротивлений резисторов  цепей питания.

3.1.2 Расчет элементов модели транзистора.

3.1.3 Составление эквивалентной модели каскада по постоянному току.

3.1.4 Вычисление на “Fastmean” тока покоя коллектора I.

3.1.5 Построение нагрузочной прямой по постоянному току.

        Последовательность действий для реализации точки покоя.

           

3.1.1 Расчет элементов цепей питания транзистора.

      Положение точки покоя (исходной рабочей точки) в активной области выходных статических характеристик транзистора  определяется  резисторами  RБ1, RБ2, RК, RЭ,  а также напряжением источника питания Е0 (рис.2).   Цепи питания транзистора определяются способом подачи смещения, а не способом   его  включения  на переменном токе.

     Заданными являются: напряжение источника  питания E0,  ток покоя коллектора I и тип транзистора.

                           

                                               

                         Рис.2  Схема каскада  по постоянному току

Задавшись значением  = 0.1Е0, вычислим:

= ;     = ;     = ;     = ,

где  = ;    U==  ;     = ;     =  + ;  I = IОК/h21 .

 

    При этом выбираем  = /2; = ;=0.6 В - для кремниевых транзисторов при небольших токах коллектора.  Далее, необходимо выбрать значения резисторов по номинальному ряду (Табл. 1).

      В табл.1 приведён натуральный ряд значений резисторов, изготовляемых с точностью 20% столбцы Е6, 10%  - в столбцах Е12 и 5% - в столбцах Е24.

Табл.1

E 6

E 12

E 24

E 6

E 12

E 24

E 6

E 12

E 24

 1,0

 1,5

  1,0

  1,2

  1,5

  1,8

 1,0

 1,1

 1,2

 1,3

 1,5

 1,6

 1,8

 2,0

  2,2

  3,3

  2,2

  2,4

  2,7

  3,3

  3,9

  2,2

  2,4

  2,7

  3,0

  3,3

  3,6

  3,9

  4,3

  4,7

  6,8

  4,7

  5,6

  6,8

  8,2

4,7

5,1

5,6

6,2

6,8

7,5

8,2

9,1

3.1.2 Расчёт элементов модели транзистора

                 Поскольку биполярный транзистор управляется током базы,  целесообразно

            рассматривать его как  источник тока, управляемый током ( ИТУТ) рис. 3.

Рис. 3   Модель биполярного транзистора  для постоянного тока. (ИТУТ)

     Параметры модели  вычисляют из следующих выражений: Н11= UБЭ/I ,

      .

3. 1.3  Составление эквивалентной схемы каскада по постоянному току

Заменив транзистор эквивалентной моделью, составим эквивалентную схему каскада (рис.4)

 

Рис. 4 Эквивалентная схема каскада по постоянному току.

3.1.4  Вычисление на Fastmean тока покоя транзистора I0К.

         Введём эквивалентную схему каскада (Рис.4) в компьютер и вычислим I0К.

         Результат расчёта сводим в табл. 2.

Табл.2

параметр

RБ1

RБ2

RK

RЭ

h21

E0

I

единица изм.

кОм

кОм

кОм

кОм

В

мА

расчёт

на Fastmean

Сравнить результаты предварительного расчёта и на компьютере.

3.1.5    Построение  нагрузочной линии по постоянному току.

           По полученным результатам построить нагрузочную линию  для постоянного тока (рис. 5) и отметить на ней точку покоя А.

          

 Рис. 5. Нагрузочная линия постоянному току

Часть 3.2.  Исследование свойств каскада ОЭ в частотной и временной

                 областях 

 На рис.6 показана принципиальная схема каскада с ОЭ. Переменная  составляющая сигнала попадает на вход транзистора (базу) через конденсатор СР1, а передаётся в нагрузку от коллектора через конденсатор СР2. В соответствующем частотном диапазоне конденсатор СЭ шунтирует сопротивление RЭ, поэтому напряжение на эмиттере по сигналу практически равно нулю и схема соответствует включению  рис.1

                

                             Рис.6 Принципиальная схема каскада с ОЭ

  Исследование состоит из пяти пунктов:

3.2.1 Расчет элементов модели транзистора для переменного тока

3.2.2 Составление эквивалентной схемы каскада ОЭ.

3.2.3 Расчет функций с помощью Fastmean.

          - амплитудно-частотной  характеристики (АЧХ) и её параметров :

          - КСКВ - сквозной коэффициент усиления на средней частоте в дБ., - частота нижнего

            среза, - частота верхнего среза

           - переходной характеристики (ПХ):  tН - время нарастания,  - спад вершины импульса при

            заданной длительности импульса tИ.

3.2.4 Определение влияния на параметры АЧХ и ПХ изменений сопротивлений источника сигнала

            R и нагрузки R (рис.6).

3.2.5 Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений емкостей разделительных и блокировочного

           конденсаторов СР1, CР2, CЭ (рис.6).

3.2.6    Построение нагрузочной линии по сигналу.

                    Рассмотрим п. 3.2.1 – 3.2.6 подробнее:

3.2.1 Расчёт элементов модели транзистора по сигналу.

                Выбор модели транзистора по сигналу ИТУТ основан на ранее использованной модели

          рис.3 с добавлением к ней частотно-зависимых элементов (модель Джиаколетто) (рис.7).

                 Для расчета элементов модели необходимо взять из справочника следующие  параметры

          транзистора: τос - постоянная времени цепи обратной связи; Ск - емкость коллекторного

          перехода; модуль коэффициента передачи  тока    на высокой частоте f;    h21Эmax,

           h21Эmin –  максимальный  и минимальный статические коэффициенты передачи тока       

           для ОЭ.

   Рис.7 Эквивалентная модель биполярного транзистора для сигнала.

Тогда rбб, rбэ, h21, S, Cбэ будут вычислены из выражений:

 ;      ;    ;  

  ;    h11= rб'б + rб'э ;    =  ;     = ×f,                                            где  - частота единичного усиления (h21=1), а  =  , причём

k = 1.38× Дж/ - постоянная Больцмана;  

T - Температура в градусах Кельвина; q = 1.6× Кл – заряд электрона.

Значит  = (мВ).  При комнатной температуре   .   

     3.2.2 Составление эквивалентной схемы каскада ОЭ

             Для составления эквивалентной схемы каскада с ОЭ для малого сигнала заменим в принципиальной схеме каскада (рис.6) транзистор V1 эквивалентной моделью (рис.7). Тогда эквивалентная схема каскада ОЭ примет вид (рис. 8).

Рис. 8. Эквивалентная схема каскада ОЭ для малого сигнала.

      Значения всех элементов схемы рис.8 свести в табл.3.

                                                                                                                                                            Табл.3

е1

R1И

Ср1

Rб

rб'б

rб'э

Сб'э

СК

h21

RЭ

СЭ

RК

Ср2

R

мВ

кОм

мкФ

кОм

Ом

Ом

пФ

пФ

Ом

мкФ

кОм

мкФ

кОм

 5

0.1

 1.0

10.0

1.0

 2

3.2.3 Расчет функций АЧХ и ПХ с помощью Fastmean

          Перед работой на компьютере желательно выполнить предварительный расчёт  КСКВ на средней частоте и частоты верхнего среза.

                                                       

где  

              

       RВХ=h11              

                                                    ,

     

           Для вычисления параметров АЧХ и ПХ необходимо ввести в компьютер схему рис.8, значения элементов которой соответствуют табл.3.

       Для определения параметров АЧХ ( , , и КСКВ ) необходимо подать на вход гармонический сигнал e1m=5мВ, задать начальную частоту  = 10Гц и конечную = 100МГц,

       Для вычисления параметров ПХ ( tН -время нарастания и - процент спада вершины импульса) необходимо подать на вход схемы импульс с амплитудой e 1m = +5мВ, f = 20…50кГц. Время нарастания tН вычисляется при подборе конечного времени , удобного для измерения. Спад вершины необходимо измерять при длительности импульса (tИ), заданного в табл.4. Результаты расчета занести в табл. 4 (строка 1).

                                                                                                                                             Табл. 4.

N

п.п.

I

КСКВ

fн

fв

Примечание

мА

дБ

кГц

МГц

нс

%

при tИ=25 мкс,

tИ=1250 мкс

1

I

2

2I

Примечание: под параметром КСКВ понимается сквозной коэффициент передачи КСКВ=20lg(U(R)е1)  на средней частоте. Все остальные параметры АЧХ и ПХ соответствуют своим определениям.

      Сравнить результаты предварительного расчёта и расчёта на Fastmean.

      Для вычисления параметров  АЧХ и ПХ  (строка 2 табл.4) необходимо  вновь рассчитать резисторы по постоянному току для тока, равного 2I, а также пересчитать модель транзистора. Далее, ввести полученные значения в эквивалентную схему каскада с ОЭ (рис.8) и вычислить параметры АЧХ и ПХ. Полученные результаты занести в строку 2 табл. 4.

3.2.4 Определение влияния на параметры АЧХ и ПХ изменений сопротивлений

         источника сигнала  R и нагрузки R (рис.6).

      Для определения влияния на параметры АЧХ и ПХ изменений сопротивлений источника сигнала R  и сопротивления нагрузки R (рис.6) необходимо производить измерения АЧХ и ПХ при следующих изменениях R и R (табл. 5). При этом значения всех остальных элементов схемы должны соответствовать току покоя табл.3. Результаты расчёта свести в таблицу 5.

                                                                                                                                             Табл. 5.

N

п.п.

R

R

КСКВ

Примечание

кОм

кОм

дБ

кГц

МГц

нс

%

1

0,1

2

tи=25мкс,

tи=1250мкс

2

0,5

2

3

0,1

0,5

4

0,5

0,5

    Сравнить  влияние изменений R и R2Н   на параметры АЧХ  и  ПХ и сделать вывод.

  1.    Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений емкостей разделительных и

           блокировочного  конденсаторов СР1, CР2, CЭ (рис.6).

                                                                                                                                                                     

        Необходимо произвести вычисление  АЧХ и ПХ  при  двух значениях ёмкостей конденсаторов Сp1, Cp2 .  При  этом значения остальных элементов схемы рис.8 соответствуют табл.3 . Результаты внести в табл. 6 строка 2. Значения элементов строки 1 табл.6 соответствуют  табл.3.

        Табл. 6.

Ср1р2

КСКВ

Примечание

мкФ

дБ

кГц

МГц

нс

%

       1.0

tи = 25мкс,         tи =1 250мкс

СЭ=10мкФ

0.1

     Сравнить результаты измерений и сделать вывод.

  1.  Построение нагрузочной линии по сигналу

   Для определения амплитуды  максимально - допустимого выходного напряжения

                U2m max   необходимо построить нагрузочную прямую по сигналу, проходящую через

                точку покоя  А.  Полагая, что  максимальная  неискажённая  амплитуда выходного тока

                Iк max  равна  току покоя  IОК,  находим  амплитуду выходного напряжения

                U2m max = Iк max RН,    где RН = RК R.

      Рис. 9.  Нагрузочная линия для переменного тока

                                                                                                                                Рис. 9 повторяет рис.5, на котором определена точка покоя А. Отложим на этом рисунке  по горизонтальной оси напряжение, равное UОК+ Um max    (точка В).  Соединив точки  А и В прямой,  получим нагрузочную линию по сигналу для данной точки покоя.  

  1.    Исследование свойств каскада ОЭ с отрицательной обратной

      связью (ООС). 

Каскад ОЭ с ОС по можно представить в виде соединения двух четырехполюсников рис. 10.

        

            Рис10.   Блок - структурная схема каскада ОЭ с ООС.

   Транзистор охвачен  последовательной по входу и последовательной по выходу ОС.

                                                                                                                                                   

       Принципиальная схема каскада  ОЭ с ООС приведена на рис.11.

            

                 Рис. 11. Принципиальная схема каскада ОЭ с отрицательной

                                обратной связью.

           Эта часть состоит из четырех пунктов:

3.3.1 Составление эквивалентной модели каскада ОЭ с отрицательной обратной связью.

3.3.2 Изучение влияния обратной связи на АЧХ и ПХ каскада.

3.3.3 Определение влияния изменений емкостей разделительных конденсаторов

           Ср1, Cр2, на параметры АЧХ и ПХ.

          Представим последовательность действий подробнее.

3.3.1 Составление эквивалентной схемы каскада ОЭ с отрицательной обратной

        связью

Для составления эквивалентной схемы каскада ОЭ с ООС  (рис.11) заменим транзистор эквивалентной моделью (рис.7). Эквивалентная схема каскада ОЭ с ООС примет вид (рис. 12).

    

                        Рис.12     Эквивалентная схема каскада ОЭ с ООС

3.3.2 Изучение влияния обратной связи на АЧХ и ПХ каскада .

                Перед работой на компьютере следует выполнить предварительный расчёт  КСКВ F на средней частоте и частоту верхнего срезаF.

   ,

            

                                               где   

,

где F=1+

Все значения элементов эквивалентной схемы рис.12 соответствуют п.п. 3.1.2 , 3.2.1 и табл.3. Исключение СЭ=0. Для вычисления параметров АЧХ и ПХ необходимо ввести в компьютер схему рис. 12..  Результаты вычисления внести в табл. 7.

   

                                                                                                                            Табл.7

N

п.п.

КСКВ,F

.F

F

F

,F

Примечание

дБ

кГц

МГц

нс

%

1

tи=25мкс, tи=1250мкс

         Сравнить результаты  предварительного расчёта и табл. 7 и сделать вывод.       

                                                                                                                      

    3.3.3 Определение влияния изменений емкостей разделительных    конденсаторов  Ср1, Cр2 на параметры АЧХ и ПХ.

Для определения влияния емкостей разделительных конденсаторов Сp1 и Сp2 (рис.11) на АЧХ и ПХ необходимо придать им значения Ср1р2=1.0мкФ и 0.1 мкФ.  Все остальные значения элементов схемы соответствуют табл. 3.  Результат свести в табл. 8.

        Табл. 8.

N

п.п.

Ср1р2

КСКВ, F

 F

,F

Примечание

мкФ

дБ

кГц

МГц

нс

%

1

0.1

tи=25мкс

tи=1250мкс

2.

1.0

     Сравнить результат измерений табл.8 и табл.6 и сделать вывод.

  1.  Исследование свойств каскада ОЭ с частотно-зависимой

      обратной  связью

 3.4.1  Определение величины корректирующей емкости конденсатора СЭ1  для

получения максимальной частоты верхнего среза .при заданном  КСКВ,F

Рис. 13. Принципиальная схема каскада ОЭ с отрицательной частотно-зависимой

              обратной связью.

   Частотно-зависимая ОС  (рис.13)  позволяет увеличить .

     Задано КСКВ F =10.

      Для реализации  заданного  КСКВ F =10 на средних частотах необходимо рассчитать RЭ1 и  RЭ2 из выражений

,

           где    ,       ,  RЭ2 = RЭ - RЭ1.

       Эквивалентная схема каскада представлена на рис.14.  

             Рис. 14. Эквивалентная схема каскада ОЭ с отрицательной частотно-зависимой  ОС

    Все значения резисторов, кроме RЭ1  и  RЭ2 , соответствуют табл.3.  Ёмкости конденсаторов

Ср1= Cр2=1мкФ,  CЭ2=10мкФ, а значение ёмкости CЭ1 задать равным нулю (CЭ1=0).

      Для вычисления параметров АЧХ необходимо ввести в компьютер схему рис. 14 и сделать расчёт КСКВ F, и занести результаты в табл. 9 строка1.  

      Далее,  задав диапазон изменения ёмкости  СЭ1=200…1200 пФ, опять вычислить параметры АЧХ.    

Значение ёмкости СЭ1, которое реализует максимально плоскую АЧХ  по уровню -3 дБ, будет оптимальным СЭ1= С опт.  Результат внести в табл. 9  строка 2.

                                                                                                                                                      Табл.9

N

п.п.

    СЭ1

КСКВ F 

.F

,F

,F 

Примечание

пФ

кГц

МГц

пс

%

1

0

tи=25 мкс

tи=1250 мкс

2

СЭ1= С опт

3.4.2  Измерение параметров  ПХ.

,

    Для измерения параметров ПХ  в схеме  рис.14 необходимо заменить генератор гармонического  сигнала на импульсный и вычислить время нарастания tИ  и спад вершины импульса   при СЭ1= 0 и

СЭ1= С опт.  Результаты измерений занести в табл. 9.

                                                                                                                                      

     Сравнить результаты влияния СЭ1  табл.9 на АЧХ и ПХ с табл.7  и сделать выводы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70560. Основы построения АСУ 1.81 MB
  Управление воздействие на объект для реализации заранее принятых целей оно осуществляется на основании анализ в получаемой информации об объекте и окружающей его внешней среде. Принцип преобразования информации Преобразователи – устройства использующиеся в преобразовании величин...
70562. Введение в искусственный интеллект 108 KB
  В рамках этого направления решаются задачи связанные с формализацией и представлением знаний в памяти системы ИИ. Проблема представления знаний является одной из основных проблем для системы ИИ так как функционирование такой системы опирается на знания о проблемной области которые хранятся...
70565. Науково-технічна революція як прояв перетворення науки в продуктивну силу виробництва 128.51 KB
  Науково-технічна революція знаходить прояв у докорінних якісних змінах в системі сучасних продуктивних сил на основі застосування найновіших наукових досягнень дедалі більшого перетворення науки на безпосередню продуктивну силу. Вплив науковотехнічної революції розповсюджується...
70566. Загальні відомості про наукове пізнання 198.36 KB
  Загальні відомості про наукове пізнання Наукове пізнання суспільно-історичний процес творчої діяльності людини що формує її знання про навколишній світ і саму себе. У філософії пізнання визначено як діалектичний процес взаємодії суб’єкта з об’єктом. Суб’єктом пізнання може бути...
70567. Методи наукового пізнання 279.67 KB
  Метод від грецького –шлях до чого-небудь –у найбільш загальному випадку означає спосіб досягнення мети певним чином впорядкована діяльність. Науковий метод –це спосіб пізнання явищ дійсності їх взаємозв’язку і розвитку. Метод як засіб пізнання є спосіб відтворення в мисленні...
70568. Стихійні лиха та небезпечні природні явища 136.5 KB
  Атмосферні бурі смерчі урагани грози зливи та снігопади град ожеледь посухи пожежі заморозки екстремально низькі температури обмерзання високих споруд та літальних апаратів. За останні роки пожежі стали все частішим явищем які призводять до виникнення трагічних надзвичайних ситуацій.