ИССЛЕДОВАНИЕ НА ПЭВМ КАСКАДА УСИЛЕНИЯ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ ОЭ

 

Цель работы: изучить принцип работы усилительного каскада с ОЭ и исследовать влияние элементов схемы на параметры и характеристики усилителя.

 

Общие сведения

 

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n (рис.7.1). Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R _к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U _{m вых} и R _н, и напряжению источника питания E _к.

Рис.7.1

Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

I _кп³ I _mн= U _{m вых}/ R _н

Напряжение покоя обычно выбирается U _кэп= E _к/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

Уравнение статической линии нагрузки

I _к=

Рис.7.2

Линию нагрузки можно построить в координатах I _к, U _кэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять I _к=0, то U _кэ= E _к. Построение статической линии нагрузки показано на рис.7.2 (линия ав).

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины R _к и R_Б:

R _к= ;

R_Б = ; I_{Б п}= I _Кп/ h ₂₁

При работе каскада в режиме холостого хода и i _вх= I _mвх sinwt рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше E _к/2.

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно R _к включается R _н. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - Di _кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением Di _к и подсчитав изменение напряжения DU_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рис.7.2 (c-d). Очевидно, что угол между осью U _кэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R _н (при R _н=0 он составит 90°). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U _{вых пр} с уменьшением R _н становится меньше E _к/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U _{m вых}, больше, чем U _{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I _кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада:

к_и = ;

;

к_р=к_ик_i.

 

Предварительное задание к эксперименту

 

Транзистор каскада имеет следующие параметры:

h ₁₁=0, 5 кОм; h ₂₁=25; h ₂₂=0, 3 мкСм; h ₁₂=0.

Напряжение база-эмиттер U _бэ принять равным во всех режимах 0, 6 В. Напряжением U _кэ в режиме насыщения пренебречь. Напряжение источника питания E_к =12 В.

1. Рассчитать величину R _к, которая обеспечит на холостом ходу заданный в таб.7.1. коэффициент усиления. Начертить в координатах I _к, U _кэ линию нагрузки. Рассчитать сопротивление R _Б, которое позволит получить максимальную амплитуду выходного напряжения U _{m вых}, без искажений. Показать положение точки покоя на линии нагрузки и определить предельную величину U _{вых пр}.

2. Определить амплитуду входного напряжения U _{m вх}, соответствующего определенному в п.1 значению U _{вых пр}.

3. Рассчитать при заданном в табл. 7.1 сопротивлении нагрузки R _н значения коэффициентов усиления к_и, , к_р, к_i. Построить динамическую линию нагрузки и определить предельную величину U _{m вых}, сравнить с предыдущими результатами.

4. Рассчитать амплитуду входного напряжения U _{m вх}, позволяющего получить максимальное выходное напряжение без искажений.

5. Определить R _н, при котором к_р достигает максимального значения. Рассчитать это значение к_р.

Таблица 7.1

Вариант
к u
R н, кОм	0, 5	1, 0	1, 5	2, 02	2, 5	3, 0	3, 5	4, 0

 

Порядок выполнения эксперимента

 

Математическая модель каскада усиления реализована в программе LAB7.EXE. При запуске она иллюстрирует работу каскада при выбранных в качестве примера значениях R _к, R_Б, R _н и U _{m вх}, которые высвечиваются на экране монитора. На экран выводятся линии нагрузки с указанием положения точки покоя, осциллограммы входного и выходного напряжений, значения коэффициентов усиления и параметры точки покоя. После нажатия клавиши “Ввод” изображается амплитудная характеристика каскада, и программа переходит в диалоговый режим.

Ввод новых значений R _к, R _Б, R _н и U _{m вх} производится в рамку, которая высвечивается у соответствующей величины. Перемещение рамки с помощью клавиш “Вверх”, “Вниз”. После ввода данных нажать клавишу “Ввод”.

1. Ввести рассчитанные значения R _к , R _Б и R _н=1000 кОм для режима холостого хода. Записать значение к _u, параметры режима покоя и начертить с экрана в масштабе амплитудную характеристику каскада. По характеристике определить U _{вых пр} и сравнить с результатом расчета предварительного задания.

2. Увеличить в 2 раза R _к. Записать значение к _u и нанести на предыдущий график амплитудную характеристику каскада в этом режиме. Объяснить изменения к _u.

3. Ввести рассчитанные значения R _к , R _н. Записать значения к _u, к_i, к _р и сравнить с расчетными. На предыдущем графике нанести амплитудную характеристику. Определить U _{вых пр}. Сравнить с расчетным.

4. Ввести рассчитанную в п.4 предварительного задания величину U _{m вх} и проверить отсутствие искажений. Перечертить с экрана осциллограммы входного и выходного напряжений.

5. Увеличить U _{m вх} в два раза, обратить внимание на появление нелинейных искажений. Перечертить осциллограммы входного и выходного напряжений.

6. Изучить влияние R _Б на форму U _вых, для чего ввести при первоначальном значении U _{m вх} значения R _Б, равные 0, 6 и 2, 0 от расчетного. Перечертить осциллограммы входного и выходного напряжений. Объяснить причины появления нелинейных искажений.

 

Содержание отчета

 

Цель работы: схема исследуемого каскада; расчет предварительного задания; значения коэффициентов усиления, амплитудные характеристики и осциллограммы по каждому пункту выполненного эксперимента; краткие выводы.

 

Контрольные вопросы

 

1. Объяснить принцип работ каскада усиления, назначение основных элементов схемы. 2. Какими параметрами характеризуется усилитель? 3. Какое влияние на параметры каскада оказывает R_к? 4. Что такое нелинейные искажения и причина их появления? 5. Можно ли получить неискаженный выходной сигнал, если заданное U _{вых m}> E _к/2? 6. Какое влияние оказывает R _Б на положение точки покоя? 7. Всегда ли нужно выбирать U _кэп» E _к/2?