Исследование принципов построения и свойств резистивных усилительных каскадов при их работе в режиме малого сигнала.

1. Исследование принципов построения и свойств резистивных усилительных каскадов при их работе в режиме малого сигнала.

Часть 1. Исследование принципов обеспечения требуемого начального значения тока I_К0.

Общие сведения.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к усилительным каскадам любого типа, являются стабильность и опредёленность их основных свойств, малая зависимость этих свойств от характеристик конкретного усилительного прибора и от уровня воздействия на схему усилительного каскада дестабилизирующих факторов. В качестве дестабилизирующих факторов могут выступать температурные изменения, технологический или другой разброс параметров транзистора.

Основные свойства усилительного каскада при данном схемном построении, в первую очередь, обусловливаются режимом работы его усилительного прибора. Этот режим характеризуется положением исходной рабочей точки (ИРТ), которое определяется средним значением I_К0 коллекторного тока и средним значением U_КЭ0 напряжения коллектор-эмиттер. Транзистор в каскадах усиления обычно работает в режиме, при котором I_К0 практически не зависит от U_КЭ0 , а I_К0 = I_Э0 . Этот режим работы соответствует условию U_КЭ0>U_нач , где U_нач – протяжённость начального участка выходных вольт-амперных характеристик транзистора (рис.1). Здесь и в дальнейшем полярности напряжений и направлений токов указываются применительно к транзисторам n-p-n типа.

В процессе усиления сигналов в результате их воздействия на вход транзистора значения тока I_К и напряжения U_КЭ изменяются. Точка плоскости выходных вольт-амперных характеристик, связывающая текущие значения I_К и U_КЭ , называется рабочей точкой (РТ). Считается, что транзистор работает в усилительном режиме, если в процессе усиления сигналов траектория движения РТ не соприкасается с линиями насыщения и отсечки, а именно, выполняются условия U_КЭ_min>1.1 … 1.2 U_нач ; I_К_min>1.1 …1.2 I_нач Линия или траектория, по которой движется рабочая точка в процессе воздействия на каскад усиливаемых сигналов, называется нагрузочной линией, или нагрузочной характеристикой. При чисто резистивном характере нагрузки эта линия представляет собой прямую, проходящую через исходную рабочую точку. Требуемое значение тока I_Э0 обычно задаётся по так называемой схеме эмиттерно-базовой стабилизации (рис.2). При ней потенциал базы U_Б0 фиксируется за счёт питания базового вывода транзистора от низкоомной цепи, например с помощью делителя, в котором выполняется условие I_дел>>I_Б0. (Здесь и в дальнейшем индексация элементов схем осуществляется в соответствии со схемой лабораторного макета (рис.3)). В эмиттерной цепи транзистора с помощью резистора R8 и протекающего через него тока I_Э0 создаётся разность потенциалов U_R₈=I_Э0R8.

С точки зрения обеспечения в этой схеме стабильного и определенного тока I_Э0, существенным является то, что в транзисторах разность потенциалов база-эмиттер U_БЭ0 в малой степени зависит от тока I_Э0, поскольку эта зависимость приближается по характеру к логарифмической:

U_БЭ=mφ_Tln(I_K ∕ I_ОЭ), (1)

где m – параметр, значение которого близко к 1 при малых I_К и достигает 3…5 при I_К, приближающихся к максимально допустимым; I_ОЭ – обратный ток насыщения перехода база-эмиттер; φ_T = 0,026В. Для кремниевых транзисторов, работающих в режиме усиления U_БЭ0 = 0,7В, где U_БЭ0 – разность потенциалов U_БЭ, отвечающая усилительному режиму работы транзистора. Таким образом, можно считать, что в усилительной схеме, организованной на базе кремниевого транзистора, потенциал U_Б0 передаётся (транслируется) в эмиттер транзистора за вычетом фиксированного значения U_БЭ0 = 0,7В. Благодаря этому разность потенциалов U_R₈ на эмиттерном резисторе R8 независимо от свойств конкретного и значения тока I_К0 определяется соотношением

. (2)

Отклонения ∆I_К0 коллекторного тока от ожидаемого значения I_К0 определяются возможными вариациями ∆U_БЭ из-за температурных изменений и технологического разброса параметров; при этом ∆I_К0 = ∆U_БЭ ∕ R8, а

∆I_К0 ∕ I_К0 = ∆U_БЭ ∕ U_БЭ .

Таким образом, с точки зрения обеспечения стабильности и определённости тока I_К0, малой зависимости этого тока от свойств конкретного транзистора и возможных температурных изменений, желательно, чтобы в схеме рис.2 выполнялись следующие соотношения U_Э0 >> ∆U_БЭ, I_дел>>I_Б0, I_Б0R19 << U_Б0.

Порядок выполнения первой части работы.

В ходе выполнения лабораторных исследований определите зависимость разности потенциалов U_БЭ от тока I_Э, при этом сопоставьте ход данной зависимости с аналогичной, описываемой соотношением (1) для случая m=1 и I_ОЭ, вычисленной по формуле

I_ОЭ= I_Э exp(-U_БЭ ∕φ_T), (3)

где I_Э, U_БЭ – значения тока и напряжения, отвечающие начальному участку измеренной зависимости U_БЭ=f(I_К), когда m=1 (S3 – 1). В ходе исследований также оцените ход зависимости m от тока I_Э0, при этом текущие значения m при различных I_Э и U_БЭ вычислите по формуле

m= U_БЭ ∕ ( φ_T ln(I_Э ∕ I_ОЭ)), где I_Э = U_R₈ ∕ R8. (4)

1. Исследуйте зависимость постоянных напряжений на выводах транзистора от тока эмиттера I_Э, для этого при ряде значений резистора R4 (положениях 1…7 переключателя S3) схемы рис.3 с помощью цифрового вольтметра постоянного тока измерьте значения потенциалов U_Б0, U_К0, U_Э0 в точках а, б и в (S6 – 1, 2 и 3). Измерения осуществите при S4 – 5, S7 – 1. Положение остальных переключателей произвольное.

2. По результатам измерений п.1 вычислите значения тока I_Э = U_R₈ ∕ R8 и разности потенциалов U_БЭ= U_Б0 - U_Э0. Результаты измерений представьте в виде графика зависимости U_БЭ=f(I_Э), а также графиков, соответствующих проведённым по формулам (1), (3) и (4) вычислениям.

Часть 2. Измерение низкочастотных Y – параметров транзистора и их зависимости от положения исходной рабочей точки.

Общие сведения.

Биполярный транзистор как трёхполюсный элемент может быть подключен к схеме шестью способами. На практике используются только три из них. Эти способы иллюстрирует рис.4, на котором изображены эквивалентные схемы каскадов для переменного тока. Во всех схемах рис.4
один электрод транзистора является общим для входных 1 – 1` и выходных

2 – 2` зажимов, в связи с чем схема рис.4,а называется схемой с общим эмиттером (ОЭ), рис.4,б – с общим коллектором (ОК), рис.4,в с общей базой (ОБ). Схемы рис.4 являются эквивалентными схемами исследуемого лабораторного макета (рис.3) для области основных, так называемых средних частот (СЧ). Каскады организуются таким образом, что в этой области частот оказываются справедливыми следующие допущения:

а) блокирующие и разделительные конденсаторы (С7, С2, С3, С9, С4, С6) имеют пренебрежимо малое сопротивление;

б) проводимости паразитных ёмкостей, шунтирующих пути прохождения сигнала, малы;

в) инерционные свойства транзистора не проявляются, в результате чего Y-параметры транзистора выражаются вещественными числами. Такие параметры транзистора называют низкочастотными g-параметрами.

При составлении эквивалентных схем для переменного тока источники питания заменяются коротким замыканием.

Наибольшее усиление K_P по мощности обеспечивает включение по схеме ОЭ (см. рис.4,а). Это включение называется основным. При основной схеме включения имеют место не только наибольшее усиление по мощности, но и существенные усиления по напряжению и току. Параметры основной схемы используются в качестве исходных при расчётах. Связи Y-параметров и, соответственно, g-параметров транзистора при включениях ОБ и ОК с Y-параметрами включения ОЭ определяются соотношениями:

Y_11ОК = Y_11ОЭ; Y_11ОБ = Y_11ОЭ + Y_21ОЭ + Y_12ОЭ + Y_22ОЭ;

Y_21ОК = - Y_11ОЭ - Y_21ОЭ; Y_21ОБ = - Y₂₁;

Y_22ОК = Y_11ОЭ + Y_21ОЭ + Y_12ОЭ + Y_22ОЭ; Y_22ОБ = Y₂₂; (5)

Y_12ОК = - Y_11ОЭ - Y_12ОЭ; Y_12ОБ = - Y_12ОЭ - Y_22ОЭ.

Одним из распространённых описаний вольт-амперных характеристик транзистора, используемых при анализе свойств усилительных схем, является модель Эберса-Молла. Согласно этой модели,

I_К = I_Э = I_ОЭ exp(U_БЭ∕m φ_T); (6)

g₂₁ = ∂ I_K ∕ ∂ U_БЭ = I_Э0 ∕ m φ_T; (7)

g₁₁ = ∂ I_Б ∕ ∂ U_БЭ = I_Э0 ∕ m φ_T h_21Э; g₁₂ = 0, (8)

где h_21Э – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. Соотношения (7) и (8) вытекают из (6).

Известно также, что значение выходной проводимости g₂₂ как функции положения ИРТ приближённо соответствует формуле

g₂₂ = I_Э ∕ (|U_ЭР| + | U_КЭ|), (9)

где U_ЭР – потенциал Эрли.

Влияние потенциала Эрли на вид выходных вольт-амперных характеристик транзистора иллюстрирует рис.5. На нём приведены построенные в соответствии с (9) графики зависимостей I_К от U_КЭ , аппроксимирующие указанные характеристики при U_КЭ0>U_нач.

Порядок выполнения второй части работы.

В ходе выполнения исследований по второй части для включения транзистора по схеме ОЭ (S5 – 1) необходимо определить значения параметров g₂₁, g₁₁ и g₂₂ и оценить характер их зависимости от I_Э0.

Измерение следует выполнить на частоте 1кГц при относительно небольших значениях входного сигнала (U_ВХ = 10мВ). При измерениях необходимо иметь в виду, что Y – параметры транзистора соответствуют режиму короткого замыкания входных и выходных зажимов транзистора. Поэтому измерение параметров необходимо осуществлять в условиях, когда внешние по отношению к транзистору цепи имеют по возможности малое сопротивление. В ходе выполнения исследований измерение переменных потенциалов производится с помощью цифрового вольтметра. Точки подключения входов вольтметра и осциллографа определяются положениями переключателя S6.

1. Исследуйте зависимость параметра g₂₁ транзистора схемы ОЭ от тока I_Э0. Для этого при низкоомном источнике синусоидального сигнала (S1 – 1, S2 – 1) на частоте 1кГц в режиме, близком к режиму короткого замыкания на выходе (S4 – 1, S7 – 3), измерьте при ряде положений переключателя S3 (положениях 1…7) значения переменного напряжения U_ВЫХ на коллекторе транзистора (S6 – 2). Перед началом измерений установите на входе U_ВХ = 10мВ (S6 – 1, S7 – 1). По результатам измерений вычислите значения параметра g₂₁ по формуле

g₂₁ = U_ВЫХ(1 ∕ R6 + 1 ∕ R17) ∕ U_ВХ. (10)

Результаты измерений и вычислений представьте в виде графиков зависимостей g₂₁ = f(I_Э0), один из которых построен по результатам измерений, а другой – на основании вычислений по формуле (7) с подстановкой в неё значений I_Э и m, найденных при вычислениях по п.2 (порядок выполнения первой части работы).

2. Исследуйте зависимость входной проводимости g₁₁ от тока I_Э0. Измерения необходимо осуществлять при U_ВЫХ = 0 (S4 – 3), заземлённых по сигнальной составляющей , эмиттере (S5 – 1), коллекторе (S4 – 3) и при источнике сигнала с выходным сопротивлением R1= 240 Ом (S2 – 2) и ЭДС U_Г = 20мВ (S6 – 4, S7 – 1).

В ходе измерений необходимо для ряда значений тока I_Э0 (положения 1…7 переключателя S3) определить значения сигнального напряжения U_ВХ на базе транзистора (S6 – 1) и U`_ВХ в точке “г” схемы рис.3. По результатам измерений U_ВХ и U`_ВХ вычислите значения параметров g₁₁ и h₂₁ по формулам:

g₁₁ = (U`_ВХ - U_ВХ) ∕ R1 U_ВХ – g_дел ; h₂₁ = g₂₁ ∕ g₁₁, (11)

где g_дел – полная проводимость цепи делителя, шунтирующего вход транзистора на переменном токе. Проводимость g_дел при различных положениях переключателя S3 принимает значения: 1 – 0.55, 2 – 0.65, 3 – 0.7, 4 – 0.75, 5 – 0.8, 6 – 0.9, 7 – 1.0 мСм.

Результаты измерений и вычислений представьте в виде графиков зависимостей g₁₁ = f(I_Э0) и h₂₁ = f(I_Э0), где g₁₁, h₂₁, I_Э0 – значения, вычисленные в соответствии с (11) и (2).

3. Исследуйте зависимость выходной проводимости g₂₂ транзистора от положения исходной рабочей точки. Измерения необходимо осуществить при низкоомном источнике сигнала (S2 – 1) и высокоомной коллекторной нагрузке (S4 – 5).

В ходе измерений для ряда значений тока I_Э0 (положения 1…7 переключателя S3) определите относительные изменения N = U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ сигнального напряжения на выходе каскада (S6 – 2), возникающие при шунтировании его выхода дополнительным сопротивлением R18 = 1кОм

(S7 - 2). В начале измерений (S3 – 1) рекомендуется установить уровень входного сигнала, при котором U_ВЫХ = 0.1В (S6 – 2). Значения параметра g₂₂ вычислите по формуле

. (12)

С помощью соотношения (9), результатов вычислений g₂₂ по формуле (12) и полученных в п.1 (порядок выполнения первой части работы)данных о I_Э, U_КЭ оцените значение потенциала Эрли.

Часть 3. Исследование свойств усилительного каскада при различных способах включения транзистора в его схему.

Общие сведения.

Из трёх используемых на практике способов включения транзистора в схему усилительного каскада наибольшее распространение получила схема ОЭ (рис.4,а), поскольку при ней в каскаде наилучшее сочетание таких основных параметров каскада как его усиление по мощности K_P, току K_I и напряжению K, значений входной g_ВХ и выходной проводимостей g_ВЫХ. Поэтому при построении усилительных трактов в первую очередь ориентируются на использование схемы ОЭ, считая её основной схемой включения. В каскаде ОК (рис.4,б) коэффициент передачи схемы по напряжению близок к единице, в результате чего выходной сигнал U_ВЫХ по значению и фазе повторяет входной U_ВХ, поэтому каскад ОК называют повторителем напряжения. Достоинством повторителя типа ОК является то, что он обладает малой входной и большой выходной проводимостями.

В схеме ОБ (рис.4,в) выходной ток I_ВЫХ приблизительно равен входному I_ВХ, поэтому каскад можно рассматривать как повторитель тока с коэффициентом передачи по току K_I = 1. Схема ОБ обладает большой входной проводимостью, отсутствием усиления по току, пониженным, по сравнению со схемой ОЭ, усилением по мощности. По сравнению с каскадами ОЭ, в каскадах ОБ в малой степени проявляется действие паразитных обратных связей через паразитные ёмкости, поэтому схемное построение ОБ часто применяют в усилительных трактах, работающих на повышенных частотах.

Основные параметры каскадов ОЭ, ОК и ОБ могут быть выражены через Y-параметры соответствующих схем включения транзистора с помощью следующих соотношений:

K = Y₂₁∕ (Y₂₂ + Y_Н) ; K_I = K Y_ВЫХ ∕ Y_ВХ ; K_P = K K_I ;

Y_ВЫХ = Y₂₂ + Y₁₂ Y₂₁ ∕ (Y₁₁ + Y_С) ; Y_ВХ = Y₁₁ + Y₁₂ K , (13)

где Y_С – выходная проводимость источника сигнала.

Порядок выполнения третьей части работы.

Измерения выполняются на частоте 1кГц.

1. Исследуйте свойства каскада ОЭ при R_Н = 900 Ом (S1 – 1, S2 – 1 и 2, S4 – 5, S5 – 1, S7 - 1), I_Э0 = 5мА (S3 – 3) и входном сигнале ≈10мВ. Измерение и вычисление основных параметров К, g_ВХ, g_ВЫХ выполните в соответствии с формулами:

К = U_ВЫХ ∕ U_ВХ ; g_ВХ = (U_Г – U_а) ∕ R1 U_а ; g_ВЫХ = [R18(U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ -1)]^-1,

где R1 = 240 Ом (S2 – 2), U_ВХ = U_Б или U_а, U_ВЫХ = U_К или U_б; U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ – относительное уменьшение напряжения U_ВЫХ, возникающее при подключении дополнительной нагрузки R18 (S7 – 2). Измерение g_ВЫХ проводите при R_С ≈ 0 (S2 – 1) и R_С ≈ 240 Ом (S2 – 2).

2. Исследуйте свойства каскада ОК при R_Н = 510 Ом (S4 – 3, S5 – 6 или 8, S7 - 1), I_Э0 = 5мА (S3 – 3) и входном сигнале ≈50-100мВ. Измерение и вычисление основных параметров К, g_ВХ, g_ВЫХ выполните в соответствии с формулами:

К = U_ВЫХ ∕ U_ВХ ; g_ВХ = (U_Г – U_а) ∕ R1 U_а ; g_ВЫХ = [R17 (U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ -1)]^-1,

где R1 = 240 Ом (S2 – 2), U_ВХ = U_Б или U_а, U_ВЫХ = U_Э или U_в; U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ – относительное уменьшение напряжения U_ВЫХ, возникающее при подключении дополнительной нагрузки R17 (S7 – 3).

Измерение g_ВХ проводите при двух вариантах построения каскада ОК (S5 – 6 и S5 – 8). При сравнительном анализе результатов измерений g_ВХ следует иметь в виду, что в схеме с S5 – 6 практически исключено влияние на значение входной проводимости низкоомного делителя в цепи базы за счёт подключения с помощью конденсатора С6 выхода этого делителя не к входу схемы, а к её выходу.

Измерение g_ВЫХ проводите при R_С ≈ 0 (S2 – 1) и R_С ≈ 18кОм (S2 – 3) при этом S5 – 6.

3. Исследуйте свойства каскада ОБ при R_Н = 900 Ом (S1 – 1, S2 – 5, S4 – 5, S5 – 5, S7 - 1), I_Э0 = 5мА (S3 – 3) и входном сигнале ≈10мВ. Измерение и вычисление основных параметров К, g_ВХ, g_ВЫХ выполните в соответствии с формулами:

К = U_ВЫХ ∕ U_ВХ ; g_ВХ = (U_Г – U_в) ∕ R16 U_в ; g_ВЫХ = [R18(U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ -1)]^-1,

где U_ВХ = U_Э или U_в, U_ВЫХ = U_К или U_б; U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ – относительное уменьшение напряжения U_ВЫХ, возникающее при подключении дополнительной нагрузки R18 (S7 – 2).

4. С помощью (13) и (5) и полученных в п.1…3 (порядок выполнения второй части работы) данных о параметрах транзистора при S3 – 3 вычислите значения параметров K, K_I, K_P, g_ВХ и g_ВЫХ. При расчётах полагайте, что

g₁₂ = 0.

Часть 4. Исследование свойств каскадов ОЭ, ОК, ОБ при их работе в условиях отсутствия заземлённости общего провода.

Общие сведения.

Часто активный прибор умышленно или помимо желания разработчика оказывается включённым в схему каскада таким образом, что в цепях заземления общих для входных и выходных электродов схем рис.4 оказывается включённым дополнительный двухполюсник Z_f , как это показано на рис.6.

Схемы рис.6 можно рассматривать как разновидности соответствующих схем рис.4, отличающиеся от последних наличием дополнительного сопротивления Z_f ≠ 0. Включение в схему сопротивления Z_f вызывает появление внутрикаскадной отрицательной обратной связи, которая понижает входную проводимость, повышает устойчивость параметров каскада по отношению к воздействию дестабилизирующих факторов, но при этом снижает коэффициент усиления по напряжению. В дальнейшем параметры,
соответствующие случаю Z_f ≠ 0, будем отмечать дополнительным индексом “f “. Относительное влияние отрицательной обратной связи характеризуют её глубиной – числом F, показывающим, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления схемы при введении в неё обратной связи.

Сопротивление Z_f удобно рассматривать как составную часть самого транзистора, имеющего другие изменённые значения Y-параметров – значения Y_f . Эти значения для всех схем включения транзистора в каскад определяются соотношениями:

где ∆_ОЭ = ∆_ОК = ∆_ОБ = Y₁₁ Y₂₂ - Y₁₂ Y₂₁;

F_ОЭ = 1 + (Y₁₁ + Y₂₁ + Y₁₂ + Y₂₂) Z_f ≈ 1 + (Y₁₁ + Y₂₁) Z_f ;

F_ОБ = 1 + Y₁₁ Z_f ; F_ОК = 1 + Y₂₂ Z_f .

В условиях, когда Z_f ≠ 0 (F > 1) происходит стабилизация параметров каскада, уменьшение чувствительности этих параметров к проявлению дестабилизирующих факторов. Например, чувствительность S^Kf_Ik₀ коэффициента усиления K_f в схеме рис.6,а к изменениям ∆ I_К (∆ I_К ≈ ∆ I_Э) коллекторного тока I_К (I_К ≈ I_Э) меньше соответствующей чувствительности S^K_Ik₀ в схеме рис.4,а в F раз. Значение чувствительности параметра K к дестабилизирующему фактору ∆ I_К определяется соотношением

, (14)

где I_К0 = √(I_К01 I_К02) - усреднённое значение тока I_К на интервале его изменения от I_К01 до I_К02 ; K = √( K1 K2) – усреднённое значение коэффициента усиления на интервале, соответствующем изменениям тока I_К на ∆ I_К0 = I_К02 - I_К01.

Порядок выполнения четвёртой части работы.

1. Исследуйте влияние на параметры транзистора дополнительного резистора R_f, включённого в его эмиттерную цепь. Для этого при I_Э0 ≈ 5мА (U_R₈ ≈ 2.5В, S3 – 3) и R_f = 11 Ом (S5 – 2) определите значение параметров g₂₁_f, g₁₁_f, g₂₂_f. Измерение указанных параметров осуществите по методикам, аналогичным методикам пп.1…3 (порядок выполнения второй части работы). Сопоставьте относительные различия соответствующих параметров, измеренных в данном пункте и пп.1…3 (порядок выполнения второй части работы) и между собой, а также с глубиной обратной связи, вычисленной по формуле F = 1 + g₂₁R14.

2. Исследуйте стабилизирующее влияние на коэффициент усиления каскада ОЭ дополнительного резистора, включённого в эмиттерную цепь транзистора. Для этого при отсутствии (S5 – 1) и наличии (S5 – 2) обратной связи измерьте относительные изменения ΔК ∕ К и ΔК_f ∕ К_f коэффициентов К и К_f, вызванные изменениями эмиттерного тока от I_Э01, соответствующего S3 – 3, до I_Э02, соответствующего S3 – 4 . Определите значения токов I_Э01 и I_Э02 по падению постоянного напряжения на R8, считая, что I_Э = U_R₈ ∕ R8. Измерения значений К и К_f выполните при U_ВХ = 10 мВ и сопротивлении нагрузки 100 Ом (S4 – 1) при R_С ≈ 10 Ом (S2 – 1).

По результатам измерений и вычислений определите по формуле (14) и сравните между собой значения чувствительностей S^K_Ik₀ и S^Kf_Ik₀ . Сопоставьте результат сравнения со значением глубины обратной связи F, считая, что

F = K ∕ K_f .

Контрольные вопросы.

1. Объясните. почему в схемах рис.2 и 3 в условиях когда U_КЭ >U_нач , значение I_К0 практически не зависит от R_К , но изменяется пропорционально изменениям R8 ?

2. Почему для обеспечения малой зависимости I_К0 от свойств конкретного транзистора необходимо в схеме рис.2 выполнить условие I_дел>> I_Б0 ?

3. Выделите общие и различающиеся принципы, используемые при организации схем ОЭ, ОБ, ОК, предназначенных для усиления переменных сигналов.

4. На схеме рис.3 укажите положения переключателей, соответствующие следующим схемам включения транзистора в каскад ОЭ, ОЭ_f , ОБ, ОБ_f , ОК, ОК_f .

5. Какие допущения используют при составлении эквивалентных схем каскада для области средних частот?

6. Что такое низкочастотные Y – параметры транзистора?

7. Какова методика измерения параметров g₂₁, g₁₁ и g₂₂? Почему в схемах ОЭ и ОБ измерение g₂₂ проводится с помощью резистора 1кОм, а в схеме ОК – 30 Ом?

8. Почему при больших значениях I_К0 (S3 – 7) измеренные значения g-параметров существенно отличаются от вычисленных по формулам (10), (11) и (12)?

9. Каково соотношение между g_ВХ схемы ОБ и g_ВЫХ схемы ОК?

10. Почему схема ОК с S5 – 6 обладает повышенным входным сопротивлением по сравнению со схемой ОК с S5 – 8 (см. рис.3)?

11. Дайте сравнительный анализ схем ОЭ, ОБ и ОК по параметрам g_ВХ и g_ВЫХ.

12. Дайте сравнительный анализ схем ОЭ И ОЭ_f по параметрам K, K_I и K_P.

13. Каково назначение резистора R14 в лабораторной установке и как отражается его включение в схему на свойствах каскада ОЭ?

14. Каково назначение резистора R3 и как отражается его включение в схему на свойствах каскада ОБ?

15. Каково назначение резистора С3 и как отразится его исключение из схемы на свойствах каскада ОК?

Для нового макета.

Порядок выполнения первой части работы.

I_ОЭ= I_Э exp(-U_БЭ ∕φ_T), (3)

где I_Э, U_БЭ – значения тока и напряжения, отвечающие начальному участку измеренной зависимости U_БЭ=f(I_К), когда m=1 (ток I_Э = 1мА). В ходе исследований также оцените ход зависимости m от тока I_Э0, при этом текущие значения m при различных I_Э и U_БЭ вычислите по формуле

m= U_БЭ ∕ ( φ_T ln(I_Э ∕ I_ОЭ)), где I_Э = U_Э0 ∕ R8. (4)

1. Исследуйте зависимость постоянных напряжений на выводах транзистора от тока эмиттера I_Э, для этого при ряде значений I_Э0 (1мА, 2мА, 3мА, 5мА, 7мА и 11мА) измерьте значения потенциалов U_Б0, U_К0, U_Э0. Регулировка эмиттерного тока осуществляется изменением напряжения смещения на базе транзистора (ручка Е_СМ). Измерения осуществите при S3 – 4, S2 – 1, S4 – 2 ( для установки тока 11 мА использовать S4 – 1). Положение остальных переключателей произвольное.

2. По результатам измерений п.1 вычислите значения тока I_Э = U_Э0 ∕ R8 (или I_Э = U_Э0 ∕ R6) и разности потенциалов U_БЭ= U_Б0 - U_Э0. Результаты измерений представьте в виде графика зависимости U_БЭ=f(I_Э), а также графиков, соответствующих проведённым по формулам (1), (3) и (4) вычислениям.

Порядок выполнения второй части работы.

В ходе выполнения исследований по второй части для включения транзистора по схеме ОЭ (S5 – 1) необходимо определить значения параметров g₂₁, g₁₁ и g₂₂ и оценить характер их зависимости от I_Э0.

Измерение следует выполнить на частоте 1кГц при относительно небольших значениях входного сигнала (U_ВХ ≈ 10мВ ). При измерениях необходимо иметь в виду, что Y – параметры транзистора соответствуют режиму короткого замыкания входных и выходных зажимов транзистора. Поэтому измерение параметров необходимо осуществлять в условиях, когда внешние по отношению к транзистору цепи имеют по возможности малое сопротивление. Для всех схем S2 – 1.

1. Исследуйте зависимость параметра g₂₁ транзистора схемы ОЭ от тока I_Э0. Для этого при низкоомном источнике синусоидального сигнала (S1 – 2) на частоте 1кГц в режиме, близком к режиму короткого замыкания на выходе (S3 – 1, S6 – 3), измерьте при ряде значений тока I_Э0 (1мА, 2мА, 3мА, 5мА, 7мА и 11мА) переменное напряжения U_ВЫХ на коллекторе транзистора. Перед началом измерений установите на входе U_Б = U_ВХ ≈ 10мВ. По результатам измерений вычислите значения параметра g₂₁ по формуле

g₂₁ = U_ВЫХ(1 ∕ R9 + 1 ∕ R19) ∕ U_ВХ. (10)

2. Исследуйте зависимость входной проводимости g₁₁ от тока I_Э0. Измерения необходимо осуществлять при U_ВЫХ = 0 (S3 – 3), заземлённых по сигнальной составляющей, эмиттере (S5 – 1), коллекторе (S3 – 3) и при источнике сигнала с выходным сопротивлением R1= 330 Ом (S1 – 3) и ЭДС

U_Г ≈ 20 - 30мВ.

В ходе измерений необходимо для ряда значений тока I_Э0 (1мА, 2мА, 3мА, 5мА, 7мА и 11мА) определить значения сигнального напряжения U_ВХ на базе транзистора (U_ВХ = U_Б). По результатам измерений U_ВХ и U_Г вычислите значения параметров g₁₁ и h₂₁ по формулам:

g₁₁ = (U_Г - U_ВХ) ∕ R1 U_ВХ – g_дел ; h₂₁ = g₂₁ ∕ g₁₁, (11)

где g_дел – полная проводимость цепи делителя, шунтирующего вход транзистора на переменном токе. Проводимость g_дел = 1∕ R4.

3. Исследуйте зависимость выходной проводимости g₂₂ транзистора от положения исходной рабочей точки. Измерения необходимо осуществить при низкоомном источнике сигнала (S1 – 2) и высокоомной коллекторной нагрузке (S3 – 4).

В ходе измерений для ряда значений тока I_Э0 (1мА, 2мА, 3мА, 5мА, 7мА и 11мА) определите относительные изменения N = U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ сигнального напряжения на выходе каскада (на коллекторе), возникающие при шунтировании его выхода дополнительным сопротивлением

R18 = 910Ом (S6 - 2). В начале измерений рекомендуется установить уровень входного сигнала U_Б = U_ВХ ≈ 10мВ. Значения параметра g₂₂ вычислите по формуле

. (12)

Порядок выполнения третьей части работы.

Измерения выполняются на частоте 1кГц.

1. Исследуйте свойства каскада ОЭ при R_Н = 910 Ом (S1 – 2 и 3, S4 – 2, S2 – 1, S5 – 1, S6 - 1), входном сигнале ≈10мВ и I_Э0 по заданию преподавателя. Измерение и вычисление основных параметров К, g_ВХ, g_ВЫХ выполните в соответствии с формулами:

К = U_ВЫХ ∕ U_ВХ ; g_ВХ = (U_Г – U_Б) ∕ R1 U_Б ; g_ВЫХ = [R18(U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ -1)]^-1,

где R1 = 330 Ом (S1 – 3), U_ВХ = U_Б , U_ВЫХ = U_К; U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ – относительное уменьшение напряжения U_ВЫХ, возникающее при подключении дополнительной нагрузки R18 (S6 – 2). Измерение g_ВЫХ проводите при R_С ≈ 0 (S1 – 2) и

R_С ≈ 330 Ом (S1 – 3).

2. Исследуйте свойства каскада ОК при R_Н = 500 Ом (S2 – 1, S3 – 3,

S4 – 2, S5 – 3, S6 - 1), входном сигнале ≈50-100мВ и I_Э0 по заданию преподавателя. Измерение и вычисление основных параметров К, g_ВХ, g_ВЫХ выполните в соответствии с формулами:

К = U_ВЫХ ∕ U_ВХ ; g_ВХ = (U_Г – U_ВХ) ∕ R1 U_ВХ ; g_ВЫХ = [R12 (U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ -1)]^-1,

где R1 = 330 Ом (S1 – 3), U_ВХ = U_Б, U_ВЫХ = U_Э; U_ВЫХ ∕ U`_ВЫХ – относительное уменьшение напряжения U_ВЫХ, возникающее при подключении дополнительной нагрузки R12 (S5 – 2).

Измерение g_ВХ проводите при двух вариантах построения каскада ОК (S2 – 1 и S2 – 2). При изменении положения переключателя S2 не забудьте отрегулировать ток I_Э0.

Измерение g_ВЫХ проводите при R_С ≈ 0 (S1 – 2) и R_С ≈ 20кОм (S1 – 4) при этом S2 – 2.

3. Исследуйте свойства каскада ОБ при R_Н = 910 Ом (S1 – 5, S2

Исследование принципов построения и свойств резистивных уси­лительных каскадов при их работе в режиме малого сигнала.

Исследование принципов построения и свойств резистивных усилительных каскадов при их работе в режиме малого сигнала.