коллектором в частотной и временной областях на ПК ”.Исследование свойств модели резисторного каскада с общим
1.Цель работы: Изучить свойства каскада ОК для малого сигнала в частотной и временной областях. Исследовать влияние сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Исследования проводятся на компьютере при использовании программы “Fastmean”. По определению, включение транзистора с ОК по сигналу подразумевает присоединение коллектора к общему между входом и выходом схемы проводу.
а) б) Рис.1 Схема включения транзистора с ОК
Основная схема включения транзистора с ОК изображена на рис.1,а. Конфигурация схемы рис.1,б позволяет увидеть, что каскад с ОК это есть каскад с ОЭ, охваченный обратной связью (рис.2). В этой схеме транзистор включён по схеме ОЭ и охвачен последовательной по входу и параллельной по выходу ОС.
Рис.2 Структура обратной связи в каскаде с ОК
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 ОК представлена на рис.7.
Изучение свойств каскада необходимо разбить на две части: 3.1 Реализация точки покоя. 3.2 Исследование свойств каскада с ОК в частотной и временной областях.
. 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 схемы каскада по постоянному току. 3.1.4 Вычисление на “Fastmean” тока покоя коллектора I0К. 3.1.5 Построение нагрузочной прямой по постоянному току.
Последовательность действий для реализации точки покоя. 3.1.1 Расчет резисторов цепей питания транзистора. Положение точки покоя (исходной рабочей точки) в активной области выходных статических характеристик транзистора определяется резисторами RБ1, RБ2, RЭ, а также напряжением источника питания Е0 (рис.3). Цепи питания транзистора определяются способом подачи смещения, а не способом его включения на переменном токе. Заданными являются: напряжение источника питания E0, ток покоя коллектора I0К и тип транзистора. Предварительный расчёт резисторов RБ1, RБ2, RЭ по постоянному току проводим согласно рис.3
Рис.3 Схема каскада по постоянному току.
Здесь возможно выбрать значение UЭ = 0.5Е0. При этом напряжение на транзисторе UКЭ=U0К =Е0/2. Дальнейшие расчеты выполняются по известным формулам:
IOБ = IОК/h21; IOЭ = IOК + IOБ; RЭ = UЭ/IOЭ; RБ1 = (EO-UБ)/(IД+IOБ); RБ2 = UБ/IД, где UБ = UБЭ+UЭ; UОК = UКЭ= EO - UЭ; UЭ = IOЭ RЭ. Принимаем Iд=10I0Б; UБЭ=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
3.1.2 Расчет элементов модели транзистора. Поскольку биполярный транзистор управляется током базы, целесообразно рассматривать его как источник тока, управляемый током (ИТУТ) рис. 4.
Рис. 4 Модель транзистора для постоянного тока. ИТУТ
Параметры модели вычисляют из следующих выражений:: Н11= UБЭ/I0Б,
3.1.3 Составление эквивалентной схемы каскада по постоянному току Заменив транзистор эквивалентной моделью (рис. 4), составим эквивалентную схему каскада (рис.5).
Рис. 5 Эквивалентная схема каскада по постоянному току.
3.1.4 Вычисление на Fastmean тока покоя транзистора I0Э. Введём эквивалентную схему каскада (Рис.5) в компьютер и вычислим I0Э. Результат расчёта удобно свести в табл.2
Табл.2
Сравнить результаты предварительного расчёта и расчёта на компьютере.
3.1.5 Построение нагрузочной линии по постоянному току. По полученным результатам построить нагрузочную линию по постоянному току (рис. 6)
Рис. 6. Нагрузочная линия постоянному току
Часть 3.2 Исследование свойств каскада с ОК в частотной и временной областях Принципиальная схема каскада ОК представлена на рис.7. Переменная составляющая сигнала поступает на базу транзистора через разделительный конденсатор СР1, а передаётся в нагрузку R2Н через разделительный конденсатор СР2 из эмиттера. Сопротивление источника питания переменному току практически равно нулю, поэтому коллектор оказывается соединённым с общим проводом и схема соответствует структуре соединений рис.1.
Рис.7 Принципиальная схема каскада ОК.
Исследование состоит из пяти пунктов: 3.2.1 Расчет элементов модели транзистора для переменного тока 3.2.2 Составление эквивалентной схемы каскада ОК. 3.2.3 Расчет функций с помощью Fastmean - амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и её параметров: КСКВ - сквозной коэффициент усиления на средней частоте в дБ., fн√2 - частота нижнего среза, fв√2 - частота верхнего среза - переходной характеристики (ПХ): tН - время нарастания, D - спад вершины импульса при заданной длительности импульса tИ. 3.2.4 Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений сопротивлений источника сигнала R1И и нагрузки R2Н (рис.7). 3.2.5 Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений емкостей разделительных конденсаторов Ср1, Cр2 (рис.7). 3.2.6. Построение нагрузочной линии по сигналу. Далее последовательность действий п.3.2.1- 3.2.6 представлена более подробно.
3.2.1 Расчёт элементов модели транзистора по сигналу. Выбор модели транзистора основан на ранее использованной модели ИТУТ с добавлением к ней частотно-зависимых элементов (модель Джиаколетто, рис.8). 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 h21Э min – максимальный и минимальный статические коэффициенты передачи тока для ОЭ.
Рис.8 Эквивалентная модель биполярного транзистора для сигнала.
Тогда rб¢б, rб¢э, h21, S, Cб¢э будут вычислены из выражений:
k = 1.38× T - Температура в градусах Кельвина; q = 1.6× Значит
3.2.2 Составление эквивалентной схемы каскада ОК Эквивалентную схему каскада с ОК получаем, заменив в принципиальной схеме рис.7 транзистор V1 его эквивалентной моделью рис.8. Тогда эквивалентная схема каскада ОК примет вид рис.9.
Рис. 9 Эквивалентная схема каскада ОК.
Значения всех элементов схемы рис.9 свести в табл.3. Табл.3
3.2.3 Расчет функций АЧХ и ПЧ с помощью Fastmean Перед работой на компьютере желательно выполнить предварительный расчёт КСКВ на средней частоте.
где
Для вычисления на компьютере АЧХ и ПХ необходимо ввести в компьютер схему рис.9 и значения элементов, которые соответствуют табл.3
Для определения параметров АЧХ (fн√2, fв√2, и КСКВ) необходимо подать на вход гармонический сигнал e1m=5мВ, придать конденсаторам Cp1, Cp2 значения 1.0 мкФ. Значения резисторов Rб и RЭ берём из табл. 3. В диалоговом окне выбираем диапазон исследуемых частот, для частотной оси устанавливаем логарифмический масштаб. Рекомендуем пользоваться двумя АЧХ: простым отношением mag(U(2)/U(1)) и в децибелах - db (mag(U(2)/U(1))).
Для вычисления параметров ПХ (tН -время нарастания и D- процент спада вершины импульса) необходимо подать на вход схемы импульс с амплитудой e1m= +5мВ, f=10…20кГц. Время нарастания tН вычисляется при подборе конечного времени tкон, удобного для измерения. Спад вершины необходимо измерять при длительности импульса tИ=10мкс. Результаты расчета занести в табл. 4.
Табл. 4.
Примечание: Под параметром КСКВ понимается сквозной коэффициент передачи КСКВ=20lg(U(R2Н)/е1) на средней частоте. Все остальные параметры АЧХ и ПХ соответствуют своим определениям.
3.2.4 Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений сопротивлений источника сигнала R1И и нагрузки R2Н (рис.7) Для определения влияния на параметры АЧХ и ПХ изменений сопротивлений источника сигнала R1И и сопротивления нагрузки R2Н (рис.7) необходимо производить вычисления АЧХ и ПХ при значениях R1И и R2Н, указанных в табл. 5. При этом значения всех остальных элементов схемы должны соответствовать табл.3. Результаты расчёта свести в таблицу 5. Табл.5
Сравнить влияние изменений R1И и R2Н на параметры АЧХ и ПХ и сделать вывод.
3.2.5 Определение влияния на АЧХ и ПХ изменений емкостей разделительных конденсаторов Ср1, Cр2 (рис.7). Для определения влияния на АЧХ и ПХ изменений разделительных конденсаторов СР1 , CР2 (рис.7), необходимо произвести вычисление АЧХ и ПХ при значениях ёмкостей этих конденсаторов, равных 1.0 мкФ и 0.1мкФ, при этом все остальные значения элементов схемы (рис.7) соответствуют табл.3. Результаты внести в табл. 6. Табл. 6
Сравнить результаты измерений и сделать вывод.
3.2.4 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. Так как максимальная неискажённая амплитуда выходного тока iк max равна току покоя IОК, то амплитуда выходного напряжения будет равна Um max = iк max RН, где RН = RЭ║ R2Н .
Рис. 10. Нагрузочная линия для переменного тока Рис. 10 повторяет рис.6, 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.
Общий вывод.
|
на высокой частоте f; h21Э max,
; 
; 
;
; h11= rб'б + rб'э; 
= 
; 
= 
×f, где 
- частота единичного усиления (h21=1), а 
= 
, причём
Дж/ 
- постоянная Больцмана;
Кл – заряд электрона. 
= 
(мВ). При комнатной температуре 
.
