Цель работы
Исследовать влияние параметров элементов схемы каскада с эмиттерной стабилизацией на его показатели (коэффициент усиления, частотные и переходные характеристики).
Изучаемые вопросы
- цепи питания и схемы смещения транзисторных каскадов усиления;
- построение и использование нагрузочных прямых резисторного каскада для постоянного и переменного токов на семействе выходных статических характеристик;
- свойства и особенности каскадов предварительного усиления;
- назначение элементов принципиальной схемы резисторного каскада;
- амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) резисторного каскада;
- переходные характеристики резисторного каскада;
- эквивалентные схемы и линейные искажения в резисторном каскаде; расчетные соотношения для резисторного каскада
Исходные данные
В каскаде использован транзистор типа KT3102А (аналог 2N4123) с параметрами:
- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером ;
- емкость коллекторного перехода пФ;
- граничная частота передачи тока МГц;
- сопротивление базы Ом;
- напряжение источника питания В;
- ток покоя транзистора мА.
Последняя цифра шифра – 3.
мкФ, мкФ, пФ, мкФ.
Отчёт о лабораторной работе
Принципиальная схема каскада
Принципиальная схема исследуемого каскада (схема лабораторной установки) показана на рисунке 1 (резистор R5 соответствует сопротивлению нагрузки, источники E1 и E2 – сигнал и питание соответственно).
Рисунок 1 – Схема исследуемого каскада
Результаты расчёта
Коэффициент усиления по напряжению в области средних частот:
Эквивалентное сопротивление нагрузки по переменному току:
Ом
Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером:
– активное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от режима работы транзистора. Для малошумящих транзисторов определяется по эмпирической формуле:
Ом
кОм
Сквозной коэффициент усиления:
Коэффициент передачи входной цепи:
кОм
кОм
Коэффициент частотных искажений, вносимых разделительными емкостями:
Для большой емкости в цепи эмиттера (при сравнительно небольших частотных искажениях, вызываемых цепочкой RЭСЭ) коэффициент частотных искажений можно рассчитать по приближенному выражению:
Общий коэффициент частотных искажений усилительного каскада:
Графики амплитудно-частотных характеристик
Графики АЧХ каскада были получены путём моделирования в программе EWB 5.12.
Выполняется исследование формы АЧХ каскада для следующих случаев:
- без учета влияния отрицательной обратной связи по переменному току (при включении большой емкости в цепь эмиттера – подключён конденсатор C4). АЧХ показана на рисунке 2;
- с частотно-независимой обратной связью (без подключения емкостей в цепи эмиттера транзистора – конденсаторы С4 и С5 отключены). АЧХ показана на рисунке 3;
- с частотно-зависимой обратной связью (при включении малой емкости эмиттера, являющейся элементом высокочастотной коррекции – подключён конденсатор С5). АЧХ показана на рисунке 4.
Рисунок 2 – АЧХ без ООС по переменному току
Рисунок 3 – АЧХ с частотно-независимой ООС по переменному току
Рисунок 4 – АЧХ с частотно-зависимой ООС по переменному току
Сравнение графиков показывает, что введение частотно-независимой ООС сглаживает АЧХ в высокочастотной области и делает её равномерной по всему рабочему диапазона, а частотно-зависимая ООС срезает АЧХ в высокочастотной области.
При заданных значения допустимых искажений на верхней и нижней частоте –3 дБ граничные частоты определяются по графику АЧХ и соответствуют частотам, на которых график АЧХ снижается на 3 дБ относительно вершины графика.
Анализ переходных характеристикв области малых времён
Анализ переходных процессов в области малых времён (при подаче на вход каскада коротких импульсов) выполняется для трёх случаев:
- без ВЧ-коррекции и без обратной связи по переменному току (подключён конденсатор С4). Временная диаграмма показана на рисунке 5;
- при тех же условиях и увеличенной ёмкости нагрузки. Временная диаграмма показана на рисунке 6;
- с эмиттерной высокочастотной коррекцией (подключён конденсатор С5). Временная диаграмма показана на рисунке 7.
Рисунок 5 – Переходный процесс без ВЧ-коррекции и ООС
Рисунок 6 – Переходный процесс без ВЧ-коррекции и ООС с увеличенной ёмкостью нагрузки
Рисунок 7 – Переходный процесс с эмиттерной ВЧ-коррекцией
Сравнение графиков переходжных процессов показывает, что введение ВЧ-коррекции исключает выбросы на фронте и срезе исмпульса.
Анализ переходных характерисчтик в области больших времён
Анализ переходных процессов в области больших времён (при подаче на вход каскада длинных импульсов) выполняется для двух случаев:
- без ВЧ-коррекции (конденсаторы С4 и С5 отключены). Временная диаграмма показана на рисунке 8;
- с частотно-независимой ООС (конденсаторы С4 и С5 подключены). Временная диаграмма показана на рисунке 8.
Рисунок 8 – Переходный процесс без ВЧ-коррекции
Рисунок 9 – Переходный процесс с частотно-независимой ООС
Сравнение графиков показывает, что введение ООС уменьшает спад плоской вершины импульса.
Выводы
При выполнении работы было проведено исследование усилительного каскада на БТ в схеме с ОЭ при работе с различными вариантами частотной коррекции и обратной связи. В результате установлено:
- Введение ВЧ-коррекции существенно влияет на частотные свойства каскада.
- Частотно-независимая ООС обеспечивает максимально равномерную АЧХ во всём диапазоне.
- ВЧ-коррекция обеспечивает спад АЧХ в высокочастотной области, что позволяет исключить выбросы при перепадах напряжения на входе – на фронте и срезе импульса.