Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 1
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Захисту інформації
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2014
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
ДОСЛІДЖЕННЯ ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ КАСКАДІВ НА БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 1
з навчальної дисципліни:
“Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”, ч.1
для студентів базового напрямку
6.170102 “Системи технічного захисту інформації”,
Затверджено
на засіданні кафедри
(Захист інформації(
Протокол № від 2014 р.
Львів – 2014
Дослідження підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах: Методичні вказівки до лабораторної роботи №1 з дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”, ч.1 / Укл.: Кеньо Г.В., ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2014 ( 14 с.
Рецензент: проф., д.т.н. Хома В.В.
Відповідальний за випуск:
д.т. н., проф. Дудикевич В.Б.
1. Мета роботи
Ознайомитися з основними параметрами і характеристиками підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах для різних схем увімкнення: зі спільним емітером (СЕ), спільним колектором (СК), спільною базою (СБ).
2. Завдання
За допомогою графічного редактора системи схемотехнічного моделювання MicroCap 8 синтезувати підсилювальні каскади на основі біполярного транзистора у схемах увімкнення зі спільним емітером, спільним колектором, спільною базою. Отримати амплітудо-частотні характеристики, визначити коефіцієнти підсилення за напругою, струмом та потужністю і смугу пропускання підсилювальних каскадів для різних схем увімкнення транзистора. Виявити вплив зміни параметрів пасивних елементів на коефіцієнт підсилення та смугу пропускання підсилювальних каскадів.
3. Теоретичні відомості
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.
Основою будь-якого транзисторного підсилювача є елементарний каскад підсилення, виконаний на одному або декількох (не обов’язково однакових) транзисторах. Каскад – це така мінімальна частина підсилювача, яка зберігає при її виокремленні всі свої функції.
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 (рис.1).
Рис. 1. Структурна схема підсилювача
Підсилювач зазвичай є багато каскадним пристроєм. Вхідний каскад забезпечує узгодження джерела сигналу з наступними каскадами попереднього підсилення. Каскади попереднього підсилювача використовуються для підсилення сигналу за напругою, струмом, потужністю до необхідного рівня. Прикінцеві (вихідні) каскади призначені для передавання сигналу від підсилювача в навантаження та забезпечують в навантаженні необхідні значення потужності при допустимих значеннях спотворення форми і шумів сигналу.
Коефіцієнт підсилення ( один з основних параметрів підсилювача, він показує в скільки разів приріст підсиленої величини на виході підсилювача перевищує приріст відповідної величини на вході підсилювача:
за потужністю ;
за напругою ;
за струмом .
Коефіцієнти є комплексними величинами оскільки вихідні величинами напруга і струм зсунуті за фазою відносно вхідних за рахунок реактивних складових опорів в колах підсилювача і навантаження.
Оскільки органи сприйняття людини підлягають логарифмічному закону, то часто модуль коефіцієнта підсилення виражають в логарифмічних одиницях (децибелах)
; ; .
Перевід значень коефіцієнтів підсилення, які виражені в децибелах в відносні одиниці можна виконати використовуючи наступні вирази:
; ; .
Для багатокаскадного підсилювача сумарний коефіцієнт підсилення в залежності від того в яких одиницях він нормується визначається такими виразами:
;
.
де n ( кількість каскадів підсилювача.
Амплітудо-частотною характеристикою (АЧХ) називають залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти. АЧХ будують в прямокутній системі координат на вертикальній осі якої відкладають значення KU в лінійному масштабі у відносних або логарифмічних одиницях, а на горизонтальній осі – частоту в герцах в лінійному або логарифмічному масштабі.
Діапазоном робочих частот (смугою пропускання) підсилювача гармонічних сигналів називають смугу частот від нижньої до верхньої робочої частоти в межах якої модуль коефіцієнта підсилення зменшується не більше, ніж у (на 3 дБ) від його значення на середніх частотах.
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.
Схема транзисторного підсилювального каскаду зі спільним емітером, що забезпечує підсилення змінних сигналів як за напругою, так і за струмом, наведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема підсилювального каскаду на транзисторі у схемі зі спільним емітером
Силове коло каскаду складають джерело живлення EК, резистор колекторного навантаження RК і підсилювальний елемент – транзистор VT1.
Джерело підсилювального сигналу Ег підмикається до вхідного кола каскаду через конденсатор Ср1.
Навантаження каскаду у цьому випадку таке, що вимагає обов’язкового під’єднання одного з виводів до нульової точки (найчастіше таким навантаженням є наступний підсилювальний каскад). Тому воно підімкнене до виходу каскаду через конденсатор Ср2.
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 – постійної напруги вхідних кіл каскаду на джерело вхідного сигналу (Ср1), а також вплив постійної складової вихідної напруги на навантаження (Ср2).
Напруга на базі транзистора у режимі спокою (за відсутності вхідного сигналу змінної напруги) U0БЕ визначається подільником напруги R1, R2 і резистором RЕ. Вона забезпечує струм бази I0Б і відповідно струм колектора I0К – режим за постійним струмом (режим спокою).
У режимі спокою струми бази і колектора постійні. Напруга спокою на колекторі транзистора буде рівною U0КЕ = EК – I0К (RК + RЕ).
При подаванні 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 UКЕm . Напруга вхідного сигналу з амп літудою Uвх m змінює напругу на базі транзистора і синфазно змінює значення струму бази транзистора. Ці зміни базового струму викликають в колекторному колі пропорційну зміну струму колектора і напруги на колекторі. Додатна півхвиля вхідної напруги зумовлює збільшення струмів бази і колектора. Збільшення струму колектора приводить до збільшення спаду на пруги на резисторі RK і потенціал колектора зменшується за абсолютним зна ченням. Отже, разом з підсиленням відбувається зсув фази синусоїдальної напруги на 180(, тобто вхідна і вихідна напруги перебувають у протилежних фазах.
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 RK, то зміни опору навантаження RН суттєво впливають на діюче значення вихідної напруги.
Схема транзисторного підсилювального каскаду зі спільним колектором, 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 зі СЕ. Опір RЕ є навантаженням за постійним струмом і визначає положення динамічної характеристики каскаду.
Каскад зі СК можна розглядати як каскад зі СЕ при RК = 0 і опором у колі емітера, не зашунтованим конденсатором СЕ. У результаті в схемі діє стопроцентний послідовний від’ємний зворотний зв’язок за струмом, що знижує коефіцієнт підсилення за напругою до одиниці (реально він є меншим від одиниці) і водночас збільшує вхідний опір та зменшує вихідний.
Рис. 4. Схема підсилювального каскаду на транзисторі у схемі зі спільним колектором
Цей каскад не інвертує вхідний сигнал ні за струмом ні за напругою, 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 зі СК значно більший, ніж у схемі з СЕ, а вихідний опір каскаду зі СК – значно меншим, і складає від одиниць до десятків Ом.
Вказані властивості каскаду зі 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 зі СК струму.
Каскади транзисторного підсилення у схемі зі спільною базою мають обмежене застосування в електронних пристроях. Електрична принципова схема каскаду в схемі зі СБ наведена на рис.5.
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.
Таким чином, каскад зі СБ інвертує фазу струму підсилювального 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. Однак, такий каскад має кращі частотні властивості в порівнянні з каскадом у схемі зі СЕ.
4. Порядок виконання роботи
За допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8 (MC8) синтезувати схему підсилювального каскаду у схемі зі СЕ (рис.6,а). Використати n-p-n транзистор марки KТ315V, джерело живлення ЕK=12В, джерело синусоїдального сигналу Еg з амплітудою 0.001 В і частотою 1 кГц.
Провести аналіз перехідних процесів – часову залежність напруги та струму вхідного і вихідного сигналів. Виявити існування зсуву фази напруги та струму вихідного сигналу.
По отриманих значеннях амплітуди вхідного та вихідного сигналів розрахувати KU та KІ.
Отримати амплітудо-частотну характеристику підсилювального каскаду зі СЕ.
Визначити коефіцієнт підсилення за напругою, за струмом та за потужністю та смугу пропускання підсилювального каскаду зі СЕ на основі отриманих АЧХ.
Дослідити вплив пасивних компонентів – С1, С2, Rn підсилювального каскаду на АЧХ та смугу пропускання.
Повторити пункти 1– 6 для підсилювальних каскадів зі СБ (рис.6,б) та зі СК (рис. 6,в).
Порівняти коефіцієнти підсилення та смуги пропускання каскадів з різними схемами увімкнення біполярного транзистора.
а)
б)
в)
Рис.6. Підсилювальний каскад на біполярному транзисторі: СЕ (а), СБ (б), СК (в)
5. Методичні вказівки
5.1. Аналіз перехідних процесів
Насамперед потрібно виявити вузли та елементи, в яких потрібно отримати часову залежність напруги та струму вхідного та вихідного сигналів.
Напруга вхідного сигналу знімається з вузла, який вказує на потенціал джерела сигналу Eg відносно точки «землі» (на рис.6,а та 6,б – це вузол «6», на рис.6,в – вузол «5»). У кожного цей вузол може мати інший номер. Переміщати вузли не можна.
Напруга вихідного сигналу знімається з вузла, який вказує на потенціал на сигналу на резисторі навантаження Rn відносно точки «землі» (на рис.6,а та 6,б – це вузол «5», на рис.6,в – вузол «4»). Також, у кожного цей вузол може мати інший номер.
Струм вхідного сигналу отримується в джерелі сигналу (Eg), а струм вихідного сигналу – в резисторі навантаження (Rn).
Для проведення аналізу напруги та струму вхідних та вихідних сигналів для схеми увімкнення зі СЕ потрібно вибрати з меню команд Анализ/Переходные процессы. Задаємо параметри аналізу, як вказано на рис.7.
Рис.7. Вікно аналізу перехідних процесів.
Після натискання кнопки Запуск ми отримаємо на екрані віртуальні залежності від часу напруги в заданих вузлах схеми та струму в заданих компонентах схеми.
5.2. Аналіз частотних характеристик
Для частотного аналізу підсилювальних каскадів потрібно в меню команд вибрати Анализ/Частотные характеристики. Після вибору Частотные характеристики відкривається вікно (рис.8) у якому задаються параметри моделювання характеристик.
Рис. 8. Вікно розрахунку частотних характеристик.
Після натискання клавіші Запуск на екрані отримаємо АЧХ досліджуваного підсилювача.
Для дослідження впливу пасивних елементів С1, С2, Rn підсилювального каскаду на АЧХ та смугу пропускання потрібно задати за допомогою натискання клавіші По шагам зміну номіналу кожного елемента в межах від 0,5*Номінал до 2,5*Номінал з кроком 0,5*Номінал, де Номінал – значення пасивного елемента у схемі досліджуваного підсилювального каскаду.
6. Вимоги до оформлення звіту
Звіт про пророблену роботу повинен містити:
Точну назву і мету роботи.
Схему транзисторного каскаду із СБ, СЕ, СЕ, з короткою характеристикою елементів, які входять в неї.
Осцилограми напруги та струму вхідного та вихідного сигналів.
АЧХ коефіцієнтів підсилення за напругою, струмом та потужністю для різних схем увімкнення.
Короткі висновки, що випливають з аналізу осцилограм та АЧХ (у тому числі вплив досліджуваних пасивних елементів схеми на АЧХ).
Контрольні запитання та завдання
Що таке підсилювальний пристрій?
Якими є основні технічні показники підсилювача?
Яким буде KU (дБ) , якщо KU =100; KР (дБ), якщо KР =100?
За яким рівнем по відношенню до KU визначають діапазон робочих частот?
У чому різниця між підсилювачем та підсилювальним каскадом?
Намалювати схему підсилювального каскаду зі СЕ ( СБ, СК).
Пояснити роботу підсилювального каскаду зі СЕ (СБ, СК).
Яке призначення біполярного транзистора в підсилювальних каскадах?
Яку роль виконують резистори R1, R2, RK і RЕ у схемі зі СЕ (СБ)?
Яку роль виконують резистори R1, R2 і RЕ у схемі зі СК?
Яке призначення конденсаторів С1 та С2 у підсилювальних каскадах?
Яке призначення конденсатора СЕ у схемі зі СЕ (СБ), чому він відсутній у схемі зі СК?
Порівняти KU і KІ та KР у схемах підсилювальних каскадів зі СЕ, СБ, СК.
Порівняти смуги пропускання підсилювальних каскадів зі СЕ, СБ, СК.
Як впливають пасивні компоненти – С1, С2, Rn підсилювального каскаду на АЧХ та смугу пропускання?
Які схеми увімкнення БТ інвертують фазу напруги (струму) вхідного сигналу?
Порівняти вхідні та вихідні опори підсилювальних каскадів.
Чому схему зі СК називають емітерним повторювачем?
У яких випадках доцільно використовувати схему зі 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.
Дудикевич В.Б. та ін. Електроніка та мікросхемотехніка: Навч. посібник. Ч. 2: Аналогова схемо техніка / В.Б. Дудикевич, Г.В. Кеньо, І.В. Петрович. – Серія “Дистанційне навчання”. – № 53. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2010. – 224 с.
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.
Укладач: доцент кафедри захисту інформації
к.т.н. Кеньо Галина Володимирівна
16.04.2017 11:04-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора