Изучение режимов работы диодов и транзисторов в электронных схемах

приведен на рис. 8. Здесь же приведена построенная нагрузочная прямая по постоянному току и выбранная на ней рабочая точка транзистора А с координатами IкА, UкэА, Iб , которая отображена также на семействе входных характеристик и имеет координаторы IбА, (UбэА, IкэА). Для построенной нагрузочной прямой Iк=(Ек-Uкэ)/(Rк+Rэ) (рис.8а) транзистop будет работать в активном режиме при токах базы в диапазоне Iк0 - IбН.

В усилительных схемах транзистор работает в активном режиме когда эмиттерный переход смещен прямо (для р-п-р-транзистора Uбэ>0), а коллекторный - обратно (Uбк>0) . При этом транзистор обладает усилительными свойствами и токи его электродов связаны между собой через статические коэффициенты передачи по току транзистора В и

В= Iк /Iб , В+1= Iэ /Iб, = Iк /Iэ

откуда следует, что В=/(1-), =В/В+1.


Рис. 8 . Статические вольт-амперные характеристики транзистора: а) выходные, б) входные.

Для оценки параметров усилителя его принципиальную схему преобразуют в эквивалентную, в которой транзистор замещается своей малосигнальной эквивалентной схемой рис. 9.

Нас интересуют формулы для кu, кi, кp, Rвх и Rвых в диапазоне средних частот. На этих частотах можно не учитывать частотную зависимость коэффициента передачи по току и емкость Скэ(она отбрасывается). Емкости конденсаторов CI, C2 и СЗ выбирают настолько большими, чтобы на средних частотах их сопротивление было пренебрежимо малым по сравнению с суммарным сопротивлением окружающих их резисторов. Поэтому в эквивалентной схеме на рис.10 они представлены коротко- замкнутыми ветвями. То же относится и к источнику питания Ек, так как схема на рис.10 справедлива только для переменных составляющих токов и напряжений. С учетом сказанного резисторы R1 и R2, так же как и резисторы Rк и RH (RH - нагрузка, подключается к выходным клеммам усилителя), оказываются соединенными параллельно. Поэтому в эквивалентной схеме фигурируют Rб = R1||R2 и RkH = Rk||RH. Аналогично можно получить эквивалентные схемы для каскадов ОБ и ОК. Применяя к эквивалентным схемам каскадов известные методы анализа электрических цепей (например, метод контурных токов), можно получить приближенные формулы для оценки основных параметров усилительных каскадов, представленные в таблице. В этих формулах

RЭH = RЭ||RH Rвх троэ = rf + rЭ (B+1), где rЭ=26 мВ/IЭА, R'=RrRб/( Rr+Rб), а Rr- внутреннее сопротивление источника сигнала. Для всех схем кр=кuкi.

Верхняя граничная частота полосы пропускания (на этой частоте Uвых в раз меньше, чем на средней частоте) транзисторного каскада зависит от параметров транзистора fh21б, B, Cк, rб и rэ, нагрузки RH,CH , внутреннего сопротивления источника сигнала Rr и схемы включения транзистора. Дkя любого усилительного каскада fв=(2в)-1 где в=G(в+CкэRкH)+CHRкH. В последней формуле в=(B+1)/ 2 fh21б, Cкэ=Cк(B+1), а коэффициент G для каждой схемы включения транзистора вычисляют по формулам таблицы.

Описание макета

Исследуемая в работе схема представлена на рис. II. С помощью переключателей, расположенных на передней панели лабораторной установки, можно путем соответствующей коммутации эмиттерной, базовой и коллекторной цепей транзистора собрать любой из трех усилительных каскадов (ОЭ, ОБ или ОК).

Для оценки входного тока усилителя служат измерительные резисторы R1(ОЭ, ОК) и R6(ОБ). При этом iвх=(Uг-Uвх)/Rизм, где Uг. - напряжение на клеммах генератора, Uвх напряжение на входе усилителя (за измерительным резистором).

При опенке выходного сопротивления усилителя

Rвых =Uвых xx/iвых кз будем считать, что холостой ход на выходе усилителя возникает, если установить RH=RHмакс, а режим короткого замыкания – при RH=RHмин, так как других возможностей данная лабораторная установка не предоставляет.

Рис. II. Схема макета лабораторной работы № 2

Питание усилительного каскада осуществляется от источника G1, напряжение на выходе которого устанавливают 10 В.

В исследуемой схеме стоит маломощный низкочастотный транзистор МП42А ( fh21б = 13 мГц, В= 3050, rб= 200 Ом, Ск = 30 пФ, Ркмакс =200 мВт). Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы: R1=1 кОм, R2=11 кОм, R3=5.1 кОм, R4=R5=R9=3.6 кОм, R6=470 Ом, R7=20 Ом, R8=510 Ом, R10=10 кОм, С1=С2=С3=20 мкф.

Задание

Подготовить к работе генератор стандартных сигналов (ГСС) и милливольтметр переменного тока с большим входным сопротивлением. Ознакомившись с назначением органов управления лабораторной установки и присоединив к ней измерительные приборы, подключить установку к сети переменного тока.

1. Подавая на вход схемы синусоидальный сигнал с частотой fc=2кГц (средняя частота для усилителя) и напряжением Uг = 35 мВ, для каждого из усилительных каскадов ОЭ, ОБ, ОК провести экспериментальную оценку малосигнальных параметров каскада Rвх, кi, кu, кр, Rвых различных сопротивлениях нагрузки RН . Построить зависимости параметров усилителя от RН .

2. Используя формулы таблицы, оценить те же параметры усилителя и вычислить относительное расхождение между экспериментальными и аналитическими результатами.

3. Пользуясь экспериментальными данными определить, какой каскад и при каких RН обладает наибольшим усилением по мощности. Объясните почему?

4. Дать заключение, как соотносятся между собой у различных каскадов кi, кu, Rвх , Rвых. Объясните полученные результаты.

5. Экспериментально определить верхнюю граничную частоту для каждого из каскадов ОЭ, ОБ и ОК при RН = R10 . Напряжение на выходе ГСС поддерживать неизменным на всех частотах и равным 35 мВ.

6. Рассчитать fв для каждого каскада и сопоставить расчетные и экспериментально полученные значения между собой.

Контрольные вопросы

1. Какова малосигнальная эквивалентная схема транзистора, транзисторных каскадов ОЭ, ОБ, ОК?

2. Чем отличаются между собой усилительные каскады ОЭ, ОБ, ОК (схемные различия, различия в параметрах и характеристиках)?

3. Как измерить входное и выходное сопротивления усилителя, усиление по напряжению, току, мощности?

4. Объясните, почему возникают искажения в транзисторных каскадах? Какова природа возникающих искажений?

5. Дайте определение граничной частоты усилителя.

Литература

1. В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. Электроника. - М.: Высшая школа,1982. - С. I62-I78.

2. Е.И.Манаев. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985. - С. 95-100, I30-I32.

Работа № 3. ключевой РЕжим РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

Цель работы - исследовать статические режимы и переходные процессы в схеме простого транзисторного ключа. Продолжительность работы - 3,5 часа.

Теоретическая часть

Транзисторные ключи (ТК) являются основой логических элементов ЭВМ. Дня отображения двоичных символов используются статические состояния ТК, в которых транзистор работает в режимах отсечки или насыщения. Во время переходных процессов при переключении из одного статического состояния в другое транзистор работает в нормальном и инверсном активных режимах.

О

Рис. 12. Принципиальная схема транзисторного ключа


сновными параметрами статических состояний ТК являются напряжение насыщения Uкэн и обратный ток Jко. Режим отсечки ТК (рис. 12) характеризуется низким уровнем напряжения

Uвых=-Ек+JкоRк-Ек. В режиме насыщения через ТК протекает ток

Uвых=Uкэ0.

Основными параметрами переходных процессов являются: при включении ТК tз - время задержки и tф - длительность фронта, а при выключении tрас - время рассасывания накопленного в базе заряда и tc - длительность среза.

На рис. 13 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие переходные процессы в ТK. Время задержки , где вх=RбСвх ; Uб0- начальное напряжение на Свх. Длительность фронта определяется по формуле

Рис. 13. Временные диаграммы работы транзисторного ключа

Для удобства измерения фронта его часто определяют как время нарастания тока от уровня 0.1Jкн до уровня 0.9Jкн ; . В этих формулах (fв- верхняя граничная частота каскада ОЭ), а - коэффициент насыщения. Ток базы, соответствующий границе насыщения,

Время рассасывания заряда в базе , где u - время жизни неосновных носителей в базе в режиме насыщения.

Время рассасывания характеризуется интервалом времени от момента подачи запирающего входного напряжения +Еб2 до момента, когда заряд в базе уменьшается до граничного значения Qгр=Jбнu,при котором транзистор переходит из насыщенного состояния в активный режим. Если коллекторный переход запирается раньше эмиттерного (tкэ) то транзистор переходит в нормальный активный режим, если наоборот (tэu кu ), то в инверсный активный режим. В последнем случае на графике Jk и Uк появляется характерный выброс (рис. 13, штриховые линии).

Заканчивается переходный процесс при выключении транзистора срезом выходного напряжения (задним фронтом). Длительность tc можно оценить, считая, что процесс формирования заднего фронта заканчивается при Q0. Тогда .

Однако в реальных схемах большая часть среза выходного напряжения происходит, когда транзистор находится в режима отсечки. Поэтому длительность среза определяется постоянной времени к=RкСк или к=Rк(Ск+Сн) с учетом емкости нагрузки Сн. Конденсатор С в схеме ТК (рис. 12. пунктир) является форсирующим. Он позволяет увеличить токи базы Jб1 и Jб2 нa короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются, это приводит к повышению быстродействия ТК. Другим способом увеличения быстродействия ТК является введение нелинейной обратной связи. Диод с малым временем восстановления (диод Шоттки), включенный между коллектором и базой, предотвращает глубокое насыщение ТК, фиксируя потенциал коллектора относительно потенциала базы. Такие ТК называют ненасыщенными.

Описание макета

Макет, схема которого показана на рис. 14, позволяет исследовать статические состояния ключа и переходные процессы в нем. В первом случае с помощью переключателя BI возможна подача в цепь базы низкого уровня напряжения от источника G1 с сопротивлением в его -цепи R1. Для измерения постоянных токов и напряжений в цепях ключа используется прибор, установленный на панели лабораторного стенда о пределами измерения тока J1=20 мА, J2=200 мкА, U1=20В, U2=0,2 В.

Рис. 14. Схема макета лабораторной работы и 3

При исследовании переходных процессов на вход схемы подаются импульсы отрицательной полярности амплитудой не более 15 В от генератора прямоугольных импульсов. В схеме макета предусмотрена возможность установки в коллекторной и базовой цепях транзистора различных деталей (резисторов и конденсаторов) с целью исследования влияния их параметров на свойства исследуемого ключа. Так, возможна смена резисторов в коллекторной цепи (переключатель В4),подключение к схеме ускоряющего конденсатора С2 (переключательВ2), подключение к выходу ключа нагрузочного конденсатора СЗ (переключатель ВЗ). В схеме установлен маломощный низкочастотный транзистор МП42А ( fa = I...3 мГц, Вст = 30...60, Ск= 30 пф, Ркмакс=200мвт). Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы:

R1=75 кОм, R6=5,1 кОм
R2=3 кОм R7=10 кОм
R3=,130 Ом. R8=75 кОм
R4=910 Ом, C1=10,0 мкф
R5=30 кОм C2=1000 пФ

C3=470 пф.

Напряжение источника G1 следует установить равным 10 В.

Задание

1. Измерить статический коэффициент усиления по току транзистора, установленного в ключе.

2. Исследовать статические состояния ТК при различных Rк. Определить величину сопротивления Rк, соответствующую границе насыщения.

3. Исследовать характеристики ТК в динамическом режиме. Выявить зависимости основных параметров переходных процессов tф,tрас,tc от амплитуда входного напряжения. Построить соответствующие графики. Для одного из значений входного напряжения рассчитать- tф,tрас,tc по приведенным формулам. Оценить расхождение расчетных величин и измеренных.

4. Исследовать влияние форсирующего конденсатора на основные параметры переходных процессов.

5. Определить, на какие параметры ТК оказывает влияние конденсатор нагрузочной цепи.

6. Определить, при каких параметрах коммутируемых элементов схемы ТК макета возникает инверсное запирание.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение ключевой схемы?

2. Какими основными параметрами характеризуется ключ?

3. Как зависят параметры переходных процессов от глубины насыщения?

4. Что такое инверсное запирание ТК?

5. В чем смысл введения форсирующего конденсатора?

6. Как влияет емкость нагрузки на длительность переходных процессов?

7. Как влияет амплитуда входного сигнала на параметры ТК?

8. Поясните процессы в ТК по временной диаграмме.

Литература

Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - U.: Высшая школа,1982. - 495 с., ил.

Работа №4. УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР В ШИРОКОПОЛОСНОМ УСИЛИТЕЛЬНОМ КАСКАДЕ С RC –СВЯЗЯМИ.

Цель работы - установить связь между параметрами униполярного транзистора и других деталей схемы и параметрами ШУ, изучить способы расширения полосы пропускания ШУ.

Продолжительность работы - 3,5 часа.

Теоретическая часть

На рис.15 приведена принципиальная схема усилительного каскада с RC-связями на униполярном транзисторе. Конденсаторы Cp1, Cp2 .разделяют каскада по постоянному току, резистор R3 обеспечивает утечку тока в цеgи затвора.

П

Рис.15. Принципиальная схема усилительного каскада с RС-связями


ри анализе работы усилителей на первом этапе рассматривают работу схемы на постоянном токе, т.е. определяют положение рабочей точки транзистора ( Ic, Ucн, Uзн), а также токи и напряжения для остальных ветвей схемы. Это часто и наиболее просто осуществляется графоаналитическим методом, предполагающим построение нагрузочной прямой Ic=(Ec-Uсн)/Rc и динамической стоко-затворной характеристики транзистора Ic=f1(Uзн) при Rc=const, на которых намечают положение рабочей точки. В свою очередь, нагрузочная прямая и динамическая стоко-затворная характеристика предварительно строятся на семействах статических стоковых Ic=f1(Uсн) при Uзн =const и стоко-затворных Ic=f2(Uзн) при Uсн =const характеристик. На рис. 16 приведен примерный вид таких характеристик для униполярного транзистора.

От положения рабочей точки транзистора усилительного каскада зависят параметры транзистора, а следовательно, и параметры усилителя, такие, например, как коэффициент усиления по напряжению кu0, допустимая величина входного напряжения Uвхмакс превышение которой ведет к искажению выходного сигнала, коэффициент полезного действия и т.д. При заданных Ес и Rc изменить положение рабочей точки транзистора можно только за счет изменения напряжения источника Есм (см.рис.15).

Рис.16. Статические вольт-амперные характеристики униполярного транзистора : а) стоковые, б) стоко-затворные

Рабочая точка транзистора обычно выбирается близко к середине линейного участка динамической стоко-затворной характеристики (класс А). При этом будет обеспечена наибольшая величина допустимого входного напряжения Uвхмакс при двуполярном (в частном случае синусоидальном) входном сигнале.

При анализе работы схем на униполярных транзисторах по переменному току используется малосигнальная эквивалентная схема транзистора, изображенная на рис. 17а. Здесь Ri – внутреннее дифференциальное сопротивление транзистора (сопротивление канала), S- крутизна стоко-затворной характеристики в рабочей точке, Сзн, Сзс и Ccн - межэлектродные емкости транзистора, называемые соответственно входной, проходной и выходной. Эту схему можно преобразовать в эквивалентную ей (рис. 17б), в которой фигурирует входная динамическая емкость транзистора Свхдин, определяемая соотношением Свхдин=Сзн+Сзс(1+К), где К - коэффициент усиления каскада по напряжению. На рис. 17в-д показаны эквивалентные схемы усилительного каскада отдельно для средних, высоких и низких частот. На средних частотах, когда реактивные компоненты схемы можно не учитывать, нетрудно получить формулу для коэффициента усиления по напряжению кu0=S(Ri||Rc||Rн). Учитывая, что в большинстве случаев Ri>>Rc и Rн>>Rc, кu0SRс.


На высоких частотах нельзя пренебрегать емкостями, шунтирующими нагрузку. К ним относятся: выходная емкость рассматриваемого каскада, входная динамическая емкость транзистора следующего каскада (или емкость нагрузки) и паразитная монтажная емкость. Эти емкости включены между собой параллельно, поэтому в эквивалентной схеме рис. 17г емкость С0 равна их сумме.

Постоянная времени в перезаряда заряда емкости С0 равна: в=С0(Ri||Rc||Rн). Соответственно высшая граничная частота fв полосы пропускания усилителя определяется как fв =(2в)-1. Расширить полосу пропускания усилителя в условиях, когда уже заданы Rн и тип транзистора, можно только за счет уменьшения Rc. Однако при этом уменьшается кu0.

На низких частотах становится заметным сопротивление разделительного конденсатора Ср. Постоянная времени н перезаряда Ср как видно из эквивалентной схема рис. 17д, равна н =ср(Ri||Rc+Rн), и если в качестве Rн выступает Rз последующего каскада, то Rн>>Rc, и тогда н СрRн. Низшая граничная частота fн полосы пропускания связана с н следующим образом: fн=(2н)-1. Поэтому для расширения полосы пропускания усилителя в сторону низших частот нужно увеличивать Ср и Rн.

Амплитудные характеристики усилителя Uвх=f(Uвх) по которым определяют кu0 и Uвхмакс, обычно снимаются на средней или близкoй к ней частоте. На этой частоте сдвиг по фазе между выходным и входным сигналами отсутствует, а влиянием реактивных компонентов на работу схемы можно пренебречь.

При усилении импульсных сигналов усилитель с ограниченной полосой пропускания (в пределах fв -fн ) искажает их форму. Если подать на вход усилителя идеальный прямоугольный импульс, то на выходе получится сигнал с длительностью фронта ф =2,2в и относительным спадом вершины U=U/Um=и/н где U -абсолютный спад вершины импульса, а Um и и . – соответственно амплитуда и длительность выходного импульса.

Одним из путей расширения полосы пропускания усилителя, а следовательно, уменьшения искажения усиливаемых импульсных сигналов является дополнение усилителя специальными корректирующими цепями. Такие цепи представлены на принципиальной схема усилителя рис. 18а. Здесь Rф и Сф обеспечивают улучшение низкочастотных свойств усилителя, а Lк - высокочастотных. Действие этих цепей основано на увеличении сопротивления нагрузки в выходной (стоковой) цепи транзистора на тех частотах, где в некорректированном усилителе наблюдался спад усиления.

Рис.18. Принципиальная схема широкополосного усилителя с цепями коррекции а) и его эквивалентные схемы на низких б) и высоких в) частотах

В области низких частот эквивалентную схему выходной цепи усилителя можно представить как на рис. 186. Она построена (с целью упрощения анализа) в предположении, что Ri и Rф значительно больше Rс. Из рассмотрения этой эквивалентной схемы вытекает, что выходное напряжение, определяемое формулой

не будет зависеть от частоты, если обеспечить равенство произведений RсСф и RнСр. Если же допустить, что RсСф < RнСр, то с уменьшением частоты будет наблюдаться не спад. а рост выходного напряжения (перекоррекция). Усилитель будет недокорректирован, когда RсСф >RнСр .

Добавление дросселя Lк (элемент высокочастотной коррекции в стоковой цепи транзистора) позволяет получить в выходной цепи усилителя параллельный колебательный контур (рис. 18в). резонирующий на частоте , которая выбирается возле верхней граничной частоты некорректированного усилителя. Поскольку на резонансной частоте и возле нее сопротивление параллельного резонансного контура, близкое к где оказывается больше модуля сопротивления zc , стоящего в выходной цепи транзистора у некорректированного усилителя то и выходное напряжение корректированного усилителя возле рез больше. Дня получения наилучшей форме переходной, амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик добротность колебательного контура Q выбирается небольшой, т.е. чтобы коэффициент коррекции m=Q2 находился в пределах 0,322...0,414.

Описание макета

Исследуемая схема представлена на рис. 19. Схема позволяет выполнять следующие эксперименты:

- снимать статические и динамические стоко-затворные характеристики транзистора о целью правильного выбора положения рабочей точки транзистора. При этом изменяется напряжение источника G2 и регистрируется ток стока с помощью миллиамперметра I1;

- изменять сопротивления резисторов и емкости конденсаторов в выходной цепи транзистора с помощью переключателей, расположенных на передней панели макета;

- связывать специальные клеммы, к которым подключены регистрирующие в приборы (милливольтметр и осциллограф) с любой контрольной точкой схемы с помощью специальных клавиш.

Исследование работы усилителя проводить при Ес, равном 10 В. В макете установлен маломощный транзистор КП103М с параметрами S1,3 мА/В; Uпср = 4,0 В; Сзн = 20 пФ; Сзс = 8 пФ; Рмакс=120мВт. Остальные детали имеют следующие параметры:

R1= 1,00 кОм; R2= I кОм; R3= 2 кОм; R4= 100 кОм;

R5=910 кОм; R6= 100 кОм; С1 = 2200 пф; С2= 20 мкф;

C3= 0,1 мкф; С4= 750 пф; С5= 4700 пф; С6 = 1200 пф

С7= 300 пф, Lк = 5500 мкГн.

Рис. 19. Схема макета лабораторной работы № 4

Подготовить к работе генератор стандартных сигналов, милливольтметр переменного тока, осциллограф и генератор прямоугольных импульсов. Ознакомившись с назначением органов управления лабораторной установки и присоединив к ней измерительные приборы, подключить установку к сети.

1. Обеспечить работу усилителя в классе А.

2. Экспериментально определить коэффициент усиления усилителя по напряжению, и динамический диапазон усилителя Uвхмакс при различных Rс. Дать заключение, как влияет сопротивление Rc на кu0 и Uвхмакс;

3. Собрать схему усилителя, имеющего наименьшую полосу пропускания. Снять и построить в полулогарифмическом масштабе АЧХ. Определить нижний и верхнюю граничные частоты.

4. Повторить п. 3 дня усилителя, имеющего наиболее широкую полосу пропускания (без цепей коррекции),

5. Дать заключение о влиянии параметров транзистора и деталей схемы на граничные частота полосы пропускания усилителя.

6. Расширить полосу пропускания усилителя (по сравнению с п.4) за счет применения цепей коррекции. Снять и построить АЧХ и оценить, на сколько при этом изменились граничные частоты.

7. Исследовать прохождение импульсного сигнала с параметрами н= 10 мкс и f = 10 кГц через линейный усилитель для вариантов схемы п.3, п.4 и п.6. Оценить искажения формы прямоугольного импульса в каждом случае и найти по искажениям граничные частоты усилителя.

8. Рассчитать кu0, fв , fн для рассматриваемых вариантов усилителя и оценить относительную разность между вычисленными и экспериментально найденными значениями параметров.

Контрольные вопросы

1. Чем различаются между собой статические и динамические ВАХ униполярного транзистора?

2. Каковы источники НЧ и ВЧ искажений в усилителе?

3. Как расширить полосу пропускания усилителя?

4. Какие детали определяют коэффициент усиления по напряжению усилителя и его динамический диапазон?

5. Какова связь между граничными частотами полосы пропускания усилителя и искажениями формы прямоугольного импульса, усиливаемого им?

Литература

Манаеа Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь,1985. - С. I59-I62, 209-216.