Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ДОСЛІДЖЕННЯ ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ КАСКАДІВ НА БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Інформаційна безпека
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2010
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
ДОСЛІДЖЕННЯ ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ КАСКАДІВ НА БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ
Інструкція до лабораторної роботи № 1
з навчальної дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка”
для студентів базового напряму 6.0914
«Інформаційна безпека», «Безпека інформаційних і комунікаційних систем», «Системи технічного захисту інформації», «Управління інформаційною безпекою»
Затверджено
на засіданні кафедри
Захист інформації
Протокол № від 2008 р.
Львів – 2008
Дослідження підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах: Інструкція до лабораторної роботи №1 з дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка” / Укл.: Кеньо Г.В., Собчук І.С. , Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2008. с.
Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц., Собчук І.С., к.ф.-м.н., доц.
Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.
Рецензенти:
МЕТА РОБОТИ
Ознайомитися з основними параметрами і характеристиками підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах для різних включень: спільним емітером(СЕ), спільним колектором(СК), спільною базою(СБ). Отримати амплітудно-частотні характеристики, визначити коефіцієнти підсилення по напрузі і смугу пропускання підсилювальних каскадів для різного включення транзистора. Виявити вплив зміни параметрів пасивних елементів на коефіцієнт підсилення та смугу пропускання підсилювальних каскадів.
ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Підсилювачем називають пристрій, який дозволяє перетворювати вхідний сигнал в сигнал більшої потужності без суттєвого спотворення його форми. Підсилення потужності сигналу може відбуватись за рахунок підсилення струму або напруги.
Ефект підсилення є можливим при наявності джерела керованої енергії, яка перетворюється підсилювачем в енергію підсилювальних сигналів. Енергія джерела живлення, з напругою Едж, перетворюється в енергію корисного сигналу за допомогою підсилювальних елементів(ПЕ) з коефіцієнтом К (див. рис.1).
EMBED Visio.Drawing.11
Рис. 1. Узагальнена схема підсилення.
Вхідний пристрій забезпечує передачу сигналу від джерела сигналів до вхідного ланцюга. Застосовується, коли джерело сигналу неможливо або недоцільно підключати на вхід підсилювача. Каскади попереднього підсилювача використовуються для підсилення сигналу по напрузі, струму, потужності до необхідного рівня, який потрібен для нормального функціонування наступного каскаду.
Каскади підсилення потужності забезпечують в навантаженні необхідні значення потужності при допустимих значеннях спотворення форми і шумів сигналу. Вихідні пристрої необхідні для передачі сигналу від підсилювача потужності в навантаження.
Основні технічні показники підсилювачів:
Вхідні дані - EMBED Equation.3
Вихідні дані - EMBED Equation.3
Для підсилювачів напруги EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 ;
Для підсилювачів струму EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 ;
Для підсилювачів потужності EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 .
Коефіцієнти підсилення підсилювача.
Коефіцієнт підсилення це один з основних параметрів підсилювача, він показує в скільки разів приріст підсиленої величини на виході підсилювача перевищує приріст відповідної величини на вході підсилювача:
по потужності EMBED Equation.3 ;
по напрузі EMBED Equation.3 ;
по струму EMBED Equation.3 .
Коефіцієнти є комплексними величинами та як вихідні величинами напруга і струм зсунуті за фазою відносно вхідних складових за рахунок реактивних складових опорів в колах підсилювача і на вантаження.
Оскільки органи сприйняття людини підлягають логарифмічному закону, то часто модуль коефіцієнта підсилення виражають в логарифмічних одиницях ( децибелах )
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
Перевід значень коефіцієнтів підсилення, які виражені в децибелах в відносні одиниці можна виконати використовуючи наступні вирази:
EMBED Equation.3
Для багатокаскадного підсилювача сумарний коефіцієнт підсилення в залежності від того в яких одиницях він нормується визначається такими виразами:
EMBED Equation.3
де n кількість каскадів підсилювача.
Амплітудно-частотні(АЧХ) і фазочастотні(ФЧХ) характеристики.
Амплітудно-частотною характеристикою називають залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти. АЧХ будують в прямокутній системі координат на вертикальній осі відкладають значення Кu в лінійному масштабі в відносних або логарифмічних одиницях, а на горизонтальній осі – частоту в герцах в лінійному або логарифмічному масштабі.
Діапазоном робочих частот(смуга пропускання) підсилювача гармонічних сигналів називають смугу частот від нижньої EMBED Equation.3 до верхньої робочої частоти EMBED Equation.3 в межах якої модуль коефіцієнта підсилення, а іноді і фаза не повинні виходити за межі заданих допусків.
EMBED Visio.Drawing.11
Рис. 2. АЧХ підсилювача.
Частотні спотворення, які вносяться підсилювачем, оцінюються нерівномірністю його АЧХ в діапазоні робочих частот. Ідеальною амплітудно-частотною характеристикою, при якій підсилювач не вносить частотних спотворень, є пряма, яка проходить паралельно осі абсцис.
EMBED Visio.Drawing.11
Рис. 3. Підсилюючий каскад на біполярному транзисторі із СЕ
Найпростіший вузол, що забезпечує підсилення електричних сигналів, називається підсилювальним каскадом.
Схема одиночного транзисторного підсилювального каскаду зі спільним емітером (схема з СЕ), що забезпечує підсилення сигналів напруги змінного струму як за напругою, так і за струмом, наведена на рис. 3.
Силове коло каскаду складають джерело живлення EК, резистор колекторного навантаження RК і підсилюючий елемент – транзистор VT1.
Джерело підсилювального сигналу підключається до вхідного кола каскаду через конденсатор С1 – точки (1) і (2).
Навантаження каскаду у даному випадку таке, що вимагає обов’язкового під’єднання одного з виводів до нульової точки (найчастіше таким навантаженням є наступний підсилюючий каскад). Тому воно підключене до виходу каскаду через конденсатор С2 – точки (3) і (4).
Конденсатори розділяють кола за постійним струмом (постійний струм через конденсатор не протікає) і зв’язують їх за змінним. Вони виключають вплив постійної складової напруги джерела сигналу (якщо вона є) на вхідні кола каскаду і навпаки – напруги постійного струму вхідних кіл каскаду на джерело вхідного сигналу (С1), а також вплив постійної складової вихідної напруги на навантаження (С2).
Напруга на базі транзистора у режимі спокою (за відсутності вхідного сигналу змінної напруги) U0Б визначається дільником напруги R1, R2 і резистором RЕ. Вона забезпечує струм бази I0Б і відповідно струм колектора I0К – режим за постійним струмом.
У режимі спокою струми бази і колектора постійні. Напруга спокою на колекторі транзистора
U0К = EК – I0К (RК + RЕ). (1)
При подачі вхідної змінної напруги на постійну складову струму I0Б накладається змінна складова, і струм бази стає пульсуючим. Відповідно пульсуючими стають струм колектора з амплітудою пульсацій IКm і колекторна напруга з амплітудою UКm
Змінна складова колекторної напруги через конденсатор С2 передається на навантаження. Опір конденсатора С2 на найнижчій частоті підсилювального сигналу повинен бути набагато меншим за опори резистора RК і навантаження Rн.
Оскільки вихідний опір каскаду практично дорівнює опору резистора RК, то зміни опору навантаження Rн суттєво впливають на діюче значення вихідної напруги.
Схема транзисторного одиночного підсилювального каскаду зі спільним колектором (схема з СК), що забезпечує підсилення сигналів тільки за струмом, зображена на рис. 4.
Призначення елементів R1, R2 та С1 і С2 те ж саме, що і у схемі каскаду з СЕ. Опір RЕ є навантаженням за постійним струмом і визначає положення динамічної характеристики каскаду.
Каскад з СК можна розглядати як каскад з СЕ при RК = 0 і опором у колі емітера, не зашунтованим конденсатором СЕ. У результаті в схемі діє стопроцентний послідовний негативний зворотний зв’язок за струмом, що знижує коефіцієнт підсилення за напругою до одиниці (реально він становить навіть менше одиниці) і водночас збільшує вхідний опір та зменшує вихідний.
EMBED Visio.Drawing.11
Рис.4 Підсилюючий каскад на біполярному транзисторі із СК (емітерний повторювач )
Цей каскад не інвертує вхідний сигнал, бо зі збільшенням миттєвих значень струму колектора миттєві значення напруги на навантаженні, ввімкненому у коло емітера, також збільшуються. При цьому зміни струму колектора пропорційні змінам вхідної напруги, а фази вхідного і вихідного сигналів співпадають.
Через відсутність підсилення і інверсії цей каскад ще називають емітерним повторювачем напруги.
Вхідний опір каскаду з СК значно більший, ніж у схемі з СЕ, і приблизно може бути визначений за формулою
EMBED Equation.3 . (2)
Вихідний опір каскаду з СК становить
EMBED Equation.3 (3)
де rЕ – диференційний опір емітерного переходу, що для біполярних транзисторів складає від одиниць до десятків ом.
вказані властивості каскаду з СК дозволяють використовувати його у тих випадках, коли необхідно узгодити джерело сигналу, що має великий внутрішній опір, з низькоомним навантаженням. При цьому забезпечується також підсилення сигналу за потужністю за рахунок підсилення каскадом з СК струму.
Каскад транзисторного підсилювача в схемі з спільною базою мають обмежене застосування в електронних пристроях. Електрична принципова схема каскаду в схемі з СБ наведена на рис.5.
EMBED Visio.Drawing.11
Рис.5. Схема підсилювального каскаду на транзисторі у схемі зі СБ
Режим роботи каскаду у схемі зі СБ за постійним струмом визначається елементами R1, R2 та RЕ, подібно до каскаду зі спільним емітером.
Напруга вхідного сигналу з амплітудою Uвх змінює напругу на емітері транзистора. Додатна півхвиля вхідної напруги викликає зменшення напруги емітер-база, зменшення струму емітера і колектора. Зменшення струму колектора приводить до зменшення спаду напруги на резисторі RK, і потенціал колектора збільшується за абсолютним значенням. Отже, вихідна напруга для цієї схеми збігається за фазою з вхідною.
Оскільки параметр EMBED Equation.3 має невелике значення (десятки або сотні Ом), то вхідний опір підсилювального каскаду зі СБ, навіть без урахування резисторів вхідного кола, є малим.
Таким чином, каскад зі СБ не інвертує фазу підсилюваного сигналу, забезпечує значний коефіцієнт підсилення за напругою, але його підсилення за струмом менше від одиниці, у результаті його коефіцієнт підсилення потужності є меншим, ніж у каскаду зі СЕ. Каскад зі СБ має значний вихідний опір та дуже малий вхідний опір. Ці каскади мають кращі частотні властивості в порівнянні з каскадами в схемі з СЕ.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Синтизувати схему підсилювального каскаду(СБ) рис.6а, за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати p-n-p транзистор марки 2Т360А1, батарею V1=12В, джерело напруги V2, яке генерує синусоїдальний сигнал з амплітудою 0.01В і частотою 1кГц. .
Провести аналіз перехідних процесів: залежність амплітуди вхідного(v(6)) і вихідного(v(5)) сигналів див. рис.6а. По отриманих значеннях амплітуди розрахувати Ku.
Зняти амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики підсилювального каскаду для включення з спільною базою.
Визначити коефіцієнт підсилення по напрузі та смугу пропускання підсилювального каскаду(СБ) на основі отриманих АЧХ.
Дослідити вплив пасивних елементів - С1, С2, Rn підсилювального каскаду (див. рис.6а) на АЧХ та смугу пропускання.
Повторити пункти 1-5 для підсилювальних каскадів з СЕ(рис.6 б) та СК(рис.7).
а) б)
Рис.6. Підсилювальний каскад на біполярному транзисторі: а) СБ, б) СЕ.
Рис.7. Підсилювальний каскад(СК) на біполярному транзисторі.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Після виклику программы МС подвійним клацком на її піктограмі на екрані появиться основне вікно програми, зверху якого розміщена стрічка системного меню, в якій розміщені імена режимів Файл, Редактирование, Компоненты, Окна, Опции, Анализ, Dynamic DC, Создание, Помощь (рис. 8). Нижче цієї стрічки розміщені панелі інструментів з піктограмами кнопок команд. Тут і надалі для зручності користувача програми для виклику команди будуть даватись 3 рівноцінних варіанти: за допомогою команди меню, гарячої клавіші та кнопки панелі інструментів.
Завантаження схеми. Спочатку курсором вибирається режим Файл . По команді Новый... пропонується зробити вибір:
Схема — створення нового креслення схеми, який заноситься у файл з розширенням *.CIR;
SPICE/Text — створення нового текстового файлу з описанням схеми або текстового файлу бібліотеки математичної моделі компонента у форматі SPICE (розширення імені *.СКТ);
Библиотека — створення нового бінарного файлу бібліотек (розширення імені *.LIВ). У цьому файлі розміщуються моделі біполярних транзисторів (BJT), польових транзисторів (JFET), МДН-транзисторів (MOSFET), арсенід-галієвих польових транзисторів (GaAsFET), біполярних транзисторів з ізольоованим затвором (IBGT), діодів (Diode), джерел синусоїдальних сигналів (Sinusoidal), джерел імпульсних сигналів (Pulse), операційних підсилювачів (Ораmр), ліний передачі з втратами (TRN), магнітних сердечників (Core), конденсаторів (Capacitor), індуктивностей (Inductor), резисторів (Resistor), ключів, що управляються напругою (S) та струмом (W).
MDL — параметри математичних моделей окремих компонентів у форматі МС (ці файли створюються за допомогою програми MODEL);
Вибираємо тип файлів Схема і задаємо ім’я файлу student_1.CIR. Екран на рис.8 розділений на дві частини вибором в меню Окно команди Разделить по горизонтали, щоб у нижньому вікні продивитись (і за необхідністю відредагувати) тексти математичних моделей компонентів схеми. Показ номерів вузлів схеми може бути включений/виключений натисненням на піктограму .
Рис.8. Вікно програми Micro-Cap 8.
Вибір елементі та синтиз схеми. Перед початком створення схеми рекомендується нанести на пустий екран координатну сітку. Для цього необхідно натиснути на піктограму , яка знаходиться в рядку інструментів рис.8. Елементи в схему можна вибирати двома способами:
за допомогою панелі інструментів , щоб вибрати елемент, наприклад резистор, необхідно навести курсор на піктограму і лівою кнопкою миші клацнути по ній, після чого можна розміщати резистор у будь-якому місці робочого вікна;
вибрати у рядку інструментів Компоненты,
відриється вікно у якому вибирають елементи, наприклад транзистор, і розміщають у будь-якому місці робочого вікна. Інструменти Компоненты/Russian Analog дозволяють вибрати інші напівпровідникові прилади рис.9.
Після вибору елемента і фіксації його в робочому вікні відкривається вікно у якому потрібно вказати технічні параметри вибраного елемента, наприклад для резисторів та конденсаторів задають номер елемента(R1, R2, C1, C2…) і його номінал(2к або 1u(див.табл.1) відповідно два кілооми і одна мікрофарада). Номінали пасивних елементів можна задавати по різному, наприклад опір резистора 1,5 Мом можна записати так: 1.5 MEG, 1.5 meg, 1500K, 1500000, 1.5Е6 або ємність конденсатора 1мкФ – 1U, 1uF, 0.000001, 1Е-6.
Таблиця 1. Буквені позначення дійсних чисел з 10n .
Якщо після вибору номіналу у робочому вікні не відображаються задані значення, необхідно використати піктограму з набору інструментів.
Рис.9. Інструменти Компоненты/Russian Analog.
Система Micro-Cap8 дає можливість задіяти три види джерел енергії:
Батарея напруги .
Джерело напруги .
Джерело струму .
Після вибору джерела енергії, наприклад , відривається інформаційне вікно у якому задаються параметри джерела рис.10.
Рис.10. Визначення атрибутів джерела напруги.
Елементи, нанесені на схему можна повертати на 90○ за допомогою піктограми , робити дзеркальне відображення - , утворювати блоки з фрагментів схеми - .
Нанесені і розміщені елементи з’єднуються за допомогою провідників, які включаються клацанням кнопки миші по піктограмі . Початок провідника відмічається клацанням миші на виводі елемента. Пересуванням миші, при одночасній фіксації лівої клавіші миші, наносимо провідник на креслення. Якщо курсор рухається по горизонталі або по вертикалі, то прокладається прямолінійний провідник. Якщо курсор рухається по діагоналі, то утворюється згин під кутом 90○ . Фіксація закінчення провідника відбувається при відпусканні клавіші. Нанесення провідника під довільним кутом виконується натисканням піктограми . Електричне з’єднання позначається на схемі крапкою і утворюється, коли провідник закінчується на середній частині іншого провідника або .
Якщо схема повністю синтезована вставимо та пронумеруємо вузли (наприклад див. рис. 7) за допомогою піктограми , після чого можна переходити аналізу процесів, які проходять у створеній схемі.
Вид аналізу характеристик схеми вказується в меню Анализ:
аналіз передавальних функ-цій за постійним струмом
аналіз частотних характери-тик на малому сигналі
аналіз перехідних процесів;
Проведемо аналіз вхідних та вихідних характеристик для схеми включення з СБ для цього виберемо з меню команд Анализ/Переходные процессы. Задамо параметри аналізу рис.11, де діапазон часу – 0.01с(оскільки частота сигналу 1000Гц, то на екрані буде відображено 10 коливань - 0.01*1000=10), по осі Х(XExpression) задаємо час Т, по осі Y(YExpression) задаємо номери вузлів у яких ми хочемо отримати значення величини сигналу в вольтах(наприклад v(6) і v(5)).Мінімальні та максимальні значення величин по осях X таY(XRange та YRange) при першому запуску рекомендується встановити Auto, оскільки нам невідомо верхня межа значень напруги у заданих вузлах.
Рис.11. Вікно аналіз перехідних процесів.
Після натискання кнопки Запуск ми отримаємо на екрані віртуальні залежності напруги від часу в заданих вузлах схеми. Використавши з панелі інструментів отримаємо значення напруги у будь-якій точці графіка , в даному випадку напруга = 1.4В.
Якщо в меню команд вибрати Анализ/Частотные характеристики то отримаємо АЧХ та ФЧХ досліджуваного підсилювального каскаду. Після вибору Частотные характеристики відкривається вікно(рис.12) у якому задаються параметри моделювання характеристик.
Рис. 12. Вікно Розрахунок частотних характеристик.
Діапазон частот – верхня 1010 Гц і нижня 1 Гц межі, температура 27○ . По осі Х задаємо частоту, по осі Y Ku=v(5)/v(6)(рис.6а) та фазу напруги в вузлі 5(вихідна напруга), максимальні та мінімальні значення – Auto. Після натискання клавіші Запуск на екрані отримаємо осцилограми АЧХ та ФЧХ досліджуваного підсилювача.
Програма Micro-Cap8 дозволяє моделювати зміну параметрів вибраного елемента та досліджувати вплив цих змін на АЧХ та ФЧХ. Для цього в вікні Расчет частотных характеристик (рис.12) вибираємо По шагам і отримаємо доступ до параметрів елементів, які будуть змінюватись. Після активації вікна рис.13 можемо вибрати елемент, наприклад Rn, а також задати межі зміни параметра – від 3кОм(3000) до 50кОм(50000) з кроком 5кОм(5000). Після активації прапорців(опцій) натискаємо ОК і переходимо до моделювання характеристик підсилювача.
Рис.13. Вибір зміни параметрів елементів схеми.
Для того щоб отримати осцилограми необхідно в меню команд вибрати АС
і натиснути Запуск або клавішу F2.
ЗМІСТ ЗВІТУ
Звіт про пророблену роботу повинен містити:
Точну назву і мету роботи.
Схему транзисторного каскаду із СБ, СЕ, СК, з короткою характеристикою елементів, які входять в неї.
Графіки залежностей вхідного та вихідного сигналів.
Осцилограми АЧХ та ФЧХ і коефіцієнти підсилення по напрузі для різних схем включення.
Короткі висновки: які Ku і Kі для різних схем включення, доцільність використання підсилювальних каскадів в залежності від Ku , вплив зміни С1, С2, Rn на АЧХ.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Що таке підсилювальний пристрій?
До основних технічних показників підсилювача відносять ?
Скільки буде Ku(дБ) , якщо Ku=100 ?
Яким буде Кр(дБ), якщо Кр=100?
Діапазон робочих частот визначають на рівні……Кu?
У чому різниця між підсилювачем та підсилювальним каскадом?
Намалюйте схему підсилювального каскаду з СЕ.
Яке призначення конденсаторів С1 та С2 у схемі з СЕ?
Яку роль виконують резистори R1,R2 і Re у схемі з СЕ?
Який порядок величин Кu і Кі в схемі з СЕ?
Чому схему з СК називають емітерним повторювачем?
У яких випадках доцільно використовувати схему з СК?
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Разевиг В.Г. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6.- М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с., ил.
Кардашов Г.А. Виртуальная електроника. Компьютерное моделирование аналогових устройств.- М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 260 с., ил.
Бойко В.И. и др.. Схемотехника электронных систем. Аналоговые ы импульсные устройства.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-496 с., ил.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора