Лабораторная № 4 Лайком Д

Национальный исследовательский университет ресурсоэффективных
технологий
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Отчет по лабораторной работе №4
по дисциплине ЭЛЕКТРОНИКА
“ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА ОЭ”
Выполнил: студент гр. 8В83
Лайком Д.Н.
Проверил: доцент
Заревич А.И.
Томск 2010
ЦЕЛИ РАБОТЫ:
 овладеть методикой исследования частотных свойств усилительного
каскада в программно-аппаратной среде NI ELVIS.
ЗАДАЧИ РАБОТЫ:
 подготовиться к лабораторной работе, т.е. знать и понимать
процессы, происходящие в исследуемых схемах;
 проработать разделы порядка выполнения работы, отвечая по
каждому пункту на вопросы: как его реально выполнить? Что
должно быть получено в результате его выполнения
(прогнозируемый результат)?;
 приобретение навыков исследования усилительного каскада в
частотной области (АЧХ, ФЧХ) с использованием функционального
генератора (FGEN), осциллографа (Scope) и Боде анализатора (Bode
Analyzer);
 Сравнение частотных и фазовых характеристик каскада при
различных значениях его элементов;
 обработка полученных экспериментальных данных, подготовка и
защита отчета.
ХОД РАБОТЫ:
Анализ режима покоя.
Рис. 1. Схема для исследования режима покоя транзистора (R6=2.4 кОм)
1.1 Последовательно измерим с помощью цифрового вольтметра
напряжения питания схемы, напряжение на коллекторе, базе и
эмиттере транзистора.
Рис. 2. Напряжение питания схемы.
Рис. 3. Напряжение на коллекторе.
Рис. 4. Напряжение на базе.
Рис. 5. Напряжение на эмиттере.
Рис. 6. Напряжение между коллектором и эмиттером.
1.2 Расчитаем падения напряжения на коллекторном сопротивлении и
ток покоя в рабочей точке транзистора.
Падение напряжения на коллекторном переходе:
𝑈п = 𝑈пит − 𝑈𝑘 ; 𝑈п = 8.869 − 5.389 = 3.48 В
Ток покоя в рабочей точке транзистора (Iпок=4.55 мА):
Рис. 7. Выходные ВАХ транзистора с нагрузочной прямой по постоянному
току и рабочей точкой.
1.3 Определим значение напряжения между коллектором и эмиттером
транзистора Uкэ.
𝑈кэ теор = 𝑈𝑘 − 𝑈э = 5.389 − 0.870 = 4.519 В
𝑈кэ эксп. = 4.511 В
Вывод: В результате выполнения пункта «Анализ режима покоя» были
измерены значения напряжения питания схемы, напряжение на коллекторе,
базе и эмиттере транзистора, а также рассчитаны их теоретические значения.
Было установлено, что рабочая точка проходит через нагрузочную прямую
по постоянному току.
Определение максимальных значений выходного гармонического
напряжения.
2.1.
Теоретическая оценка.
Провели через рабочую точку на выходных ВАХ транзистора нагрузочные
прямые по переменному току для двух случаев:
- на холостом ходу (прямая по переменному ходу совпадает с нагрузочной
прямой по постоянному ходу);
- с подключенной нагрузкой RL
Первая точка:
𝑈кэ = 4.519 В , 𝐼𝑘пок = 3.55 мА.
Вторая точка:
𝑈кэ = 𝑈𝑘 − 𝐼𝑘 ∗ 𝑅Н~
Для режима холостого хода:
𝐼𝑘 = 0 ,
𝑈𝑘 = ∆𝑈 + 𝑈кэ
∆𝑈 = 𝐼𝑘пок ∗ 𝑅Н~ = 3.55 ∗ 800 = 2.84 В;
𝑈𝑘 = 4.519 + 2.84 = 7.359 В):
Рис. 8. Выходные ВАХ транзистора с нагрузочными прямыми по переменному току с
нагрузкой RL и без нагрузки.
2.2.
Определяем теоретическое значение максимальной амплитуды выходного
гармонического напряжения как максимальное расстояние (В) между
координатой точки покоя и остаточным напряжением транзистора.
Uxx = 4.3 В;
Url = 2.8 В;
Полученные значения используем как верхний предел амплитуды выходного
гармонического сигнала, при котором реализуется линейный режим работы
усилительного каскада.
2.3.
Экспериментальное определение.
Рис. 9. Схема усилительного каскада ОЭ
2.4.
Рассчитаем коэффициент усиления по напряжения на холостом ходу и с
нагрузкой RL.
h11 = 298.7 Ом.
h21 = 103.896;
Коэффициент усиления по напряжению на холостом ходу:
𝑅𝑘
1200
) = −103.896 ∗ (
) = −417.3;
ℎ11
298.7
Коэффициент усиления по напряжению с нагрузкой RL.
(Rk||RL)
0.8 ∗ 1000
K = −h21 ∗ (
) = −103.896 ∗ (
) = 278.26
h11
298.7
𝐾 = −ℎ21 ∗ (
2.5.
Определим ориентировочные значения амплитуд входного напряжения.
На холостом ходу: |𝑈вх|
С нагрузкой: |𝑈вх|
= (
|𝑈вых|
)
|𝐾|
=(
|𝑈вых|
)
|𝐾 |
=
4.3
= (417.3) = 10.3 мВ
2.8
278.26
= 10 мВ
Подтвердим наши значения экспериментально
Рисунок. 10. График входного и выходного напряжения без нагрузки и с
нагрузкой.
2.6.
Постепенно, используя возможности генератора по дискретности изменения
его гармонического напряжения, увеличим входное напряжение каскада.
Наблюдаем появление отсечки в выходном сигнале
Рисунок. 11. График входного и выходного напряжения без нагрузки и с
нагрузкой.
Вывод: Как видно из графиков, полученные в эксперименте значения
принимают значения близкие к полученным в теоретических расчетах.
Транзистор работает в линейном режиме, т.к. не наблюдается отсечки
сигнала. Также видно, что при подключении нагрузки, амплитуда выходного
напряжения уменьшается, что согласуется с теоретическими расчетами. При
увеличении входного напряжения каскада видно, что на диаграмме отсечка
начинает появляться в нижней полуволне сигнала. Это объясняется
ограничением значения максимальной амплитуды выходного сигнала.
3. Исследование АЧХ и ФЧХ усилительного каскада ОЭ.
3.1. Получение характеристик
В схеме усилительного каскада, изображенной на рисунке 9, добавим
некоторые изменения, а именно подключим последовательно к резистору
нагрузки конденсатор C4. Затем включим Bode Analyzer и проведем
измерения АЧХ и ФЧХ.
3.2.
Теоретическая оценка коэффициента усиления:
K H1
K0
1

1  1/(ωτH1)2
Где τ = С1 ∗ (Rг + Rвх) = 10 ∗ 10−6 ∗ (80 + 205.8) = 2.3 (мс)
H1
K H2
K0
=
1
1+ 1/(ωτ H2 1) 2
Где τ = С2 ∗ (𝑅н + 𝑅вых) = 10 ∗ 10^ − 6 ∗ (2400 + 1200) = 36 (мс)
H2
K Э
K0
=
1+ (ωC ЭR Э ) 2
(1 + SR Э ) 2 + (ωC ЭR Э ) 2
Где S = h21 / h11 = 0.35
Суммарный коэффициент усиления определяется как:
K
K0
=
K H1
K0
*
K H2
K0
*
K Э
K0
Проведем теоретическую оценку для следующих частот:
50 Гц:
K H1
K0
K H2
K0
K Э
K0
=
=
=
1
1  1/(314 * 2.3 * 10^-3)2
1
1+ 1/(314 * 36 * 10^-3) 2
 0.882
= 0.996
1+ (314 * 470 * 300 * 10^-6) 2
(1 + 0.095 * 300) 2 + (314 * 470 * 300 * 10^-6) 2
= 44.28 / 53.20 = 0.832
Суммарный теоретический коэффициент усиления для базового варианта
будет равен при частоте 50 Гц: 0.9
100 Гц:
K H1
K0
K H2
K0
K Э
K0
=
=
=
1
1  1/( 628 * 2.3 * 10^-3)2
1
1+ 1/( 628 * 36 * 10^-3) 2
 0.969
= 0.999
1+ (628 * 470 * 300 * 10^-6) 2
(1 + 0.095 * 300) 2 + (628 * 470 * 300 * 10^-6) 2
= 88.55 / 93.33 = 0.949
Суммарный теоретический коэффициент усиления для базового варианта
будет равен при частоте 100 Гц: 0.97
Сравним теперь теоретические значения с экспериментальными данными:
Коэффициент усиления для средних частот K0 = 37
Коэффициент усиления для частоты 50 Гц K1 = 34
Коэффициент усиления для частоты 100 Гц K2 = 36
В эксперименте получили следующие отношения:
50 Гц: |K|/K0 = 0.92
100 Гц: |K|/K0 = 0.97
Вывод: При получении характеристик АЧХ и ФЧХ усилительного каскада
ОЭ были рассчитаны теоретические значения АЧХ и ФЧХ. Из-за наличия в
схем конденсатора С4 на выходе схемы получаем только переменные
значения напряжения. Анализ коэффициентов частотных искажений
показывает что частотные искажения не очень велики.
4. Исследование изменений характеристик каскада из-за влияния выходного
разделительного конденсатора.
4.1. Проведем теоретическую оценку изменения и фазового сдвига в ОНЧ при
различных разделительных конденсаторах:
Расчеты теоретических значений аналогичны расчетам из предыдущего пункта.
Различием будет изменения второй временной постоянной:
τ H2 = С2*(Rн + Rвых) = 1 * 10^-6 * (2400 + 1200) =3.6 (мс)
Проведем теоретическую оценку для следующих частот:
50 Гц -
K H2
K0
=
1
1+ 1/(314 * 3.6 * 10^-3) 2
= 0.749
Суммарный теоретический коэффициент усиления для базового варианта будет
равен при частоте 50 Гц: 0,628
100 Гц -
K H2
K0
=
1
1+ 1/( 628 * 3.6 * 10^-3) 2
= 0.915
Суммарный теоретический коэффициент усиления для базового варианта будет
равен при частоте 100 Гц: 0,812
Рис. 12. АЧХ и ФЧХ
Коэффициент усиления для средних частот K0 = 37 ДБ
Коэффициент усиления для частоты 50 Гц K1 = 31,627 ДБ
Коэффициент усиления для частоты 100 Гц K2 = 35.5 ДБ
В эксперименте получили следующие отношения:
50 Гц: |K|/K0 = 0,85
100 Гц: |K|/K0 = 0,96
Вывод: Как видно из расчетов и полученных данных, уменьшение емкости
разделительных конденсаторов влечет за собой уменьшение коэффициента
усиления в области низких частот. Как можно увидеть из графиков,
уменьшение разделительной емкости приводит к уменьшению фазового
сдвига на низких и средних частотах.
40
35
30
25
20
15
10
5
0
200
150
100
Phase (deg)
Gain, (dB)
5. Исследование изменений характеристик каскада из-за подключения к выходу
каскада дополнительной емкости нагрузки.
5.1. В схеме усилительного каскада, изображенной на рисунке 9 нагрузку
RL подключим через C4 и параллельно ей установим дополнительную
емкость C6.
50
0
-50
-100
-150
Frequency (Hz)
-200
Frequency (Hz)
Рис. 13 . АЧХ и ФЧХ для каскада с подключенной дополнительной
емкостью.
Вывод: В области высоких частот происходит резкое уменьшение
коэффициента усиления из-за того, что падает сопротивление емкости,
подключенной параллельно нагрузке. Следовательно, из-за уменьшения
сопротивления на емкости большая часть тока идет через нее. Емкость, с
которой начинается падение сопротивления на параллельном конденсаторе,
определяется только ее емкостью, чем меньше емкость, тем больше
необходима частота для уменьшения ее сопротивления. В области же низких
и средних частот ее влияние невелико, из-за того, что она обладает на этих
частотах высоким сопротивлением. Добавление конденсатора параллельного
нагрузке увеличило фазовый сдвиг в области высоких частот.
6. Исследование изменений характеристик каскада из-за введения
отрицательной обратной связи
6.1. Уберем теперь из цепи шунтирующий конденсатор C5, добавив тем
самым последовательную отрицательную обратную связь по току.
Проведем измерения АЧХ и ФЧХ.
Рис .14 .АЧХ и ФЧХ для каскада для исследование изменений характеристик
каскада из-за введения отрицательной обратной связи.
При введении ООС коэффициент усиления на средних частотах стал равен K0 = 7.
Отсюда для последовательной отрицательной обратной связи по току формула,
определяющая коэффициент усиления: Kос = K / (1+bK), где b – коэффициент
обратной связи
b = (K/Kос -1)/K = 0,35.
Вывод: Введение отрицательной обратной связи существенно снижает
коэффициент усиления, что зависит от коэффициента обратной связи, тем самым,
сглаживая искажения, вызываемые различным неточностями указанных
параметров транзисторов, и искажения вызванные изменениями характеристик
транзисторов, в следствии изменении температурных условий. Введение
отрицательной обратной связи не так сильно влияет на фазовые искажения, как на
коэффициент усиления.
7. Расчет входного и выходного сопротивления
7.1. Пояснительная схема
to Voltage HI DMM
or CHB+ Scope
Каскад ОЭ
FUNC OUT
R1
2,2 k
Rвых
FGEN
Uвх
Rвх
RL
2,4 k
Евых
GROUND
Рис. 14. Схема расчета входного и выходного сопротивления
7.2.
Расчет входного сопротивления
Для нахождения входного сопротивления дополнительно используют
резистор R1 с нормированным значением сопротивления 2,2 кОм.
Обеспечим линейный режим работы каскада. И не меняя значения E, сначала
измерим выходное напряжение, затем, подключив источник сигнала через
резистор R1, снимем выходное напряжение. Зная усиление K0 = Uвых1/E,
найдем Uвых2
𝐾0 ∗ 𝑅вх ∗ 𝐸
𝑅вх
𝑈вых2 =
; 𝑈вых1 =
(𝑅1 + 𝑅вх)
(𝑅1 + 𝑅вх)
Uвых1 = 3.41 В
Uвых2 = 0.62 В
Rвх = R1 * Uвых2 / (Uвых1 – Uвых2) = 2.2*10^3*0,62/2,79= 472.8 Ом
Теоретическое значение Rвх = RБ||h11Э = (R1||R2) || h11Э = 2069 || 535.4 = 460.3
Ом
7.3. Расчет выходного сопротивления
Определим выходное сопротивление, измерив сначала выходное напряжения
на холостом ходу, а затем с подключенной нагрузкой RL. Из проведенного
эксперимента можно составить систему из двух уравнений.
Uвых1 = 7.9 В
Uвых2 = 5.2 В
𝑈вых1
7.9
𝑅вых = 𝑅𝐿 ∗ (
– 1) = 2.4 ∗ 103 ∗ ( – 1) = 1.25 кОм
𝑈вых2
5.2
Теоретическое значение Rвых = Rк = 1.2 кОм
Вывод: При выполнении данного пункта лабораторной работы были
рассчитаны входное и выходное сопротивление. В вычислениях
присутствует погрешность, обусловленная неточностью измерения.
Вывод по лабораторной работе
В данной лабораторной работе «Исследование усилительного каскада ОЭ»
были исследованы частотные свойства усилительного каскада. Также мы
использовали графоаналитический метод для определения амплитуды
выходного напряжения транзистора. Для этого мы построили 2 нагрузочные
прямые по переменному току на семействе выходных ВАХ транзистора для
двух случаев: с нагрузкой RL и без неё. С помощью цифрового мультиметра
мы измерили напряжения на базе, коллекторе, эмиттере и коллекторном
сопротивлении. Используя эти данные, мы определили положение точки
покоя. Выходное напряжение находится как максимальное расстояние между
координатой напряжения точки покоя и остаточным напряжением
транзистора. В результате мы получили, что при подключении нагрузки RL
напряжение на переходе коллектор-эмиттер меньше напряжения Uкэ на
холостом ходу.
Для определения входного напряжения теоретическим путем мы
использовали h-параметры транзистора, а именно, h11 и h21. Первый
параметр – это входное дифференциальное сопротивление транзистора.
Параметр h21э характеризует коэффициент усиления тока базы.
Выходное напряжение транзистора, измеренное с помощью осциллографа,
отличается незначительно для обоих случаев (с нагрузкой RL и без неё).
Также в данной лабораторной работе мы получили ФЧХ и АЧХ для
усилительного каскада. При этом мы меняли разделительные конденсаторы
C4 и С3, которые предназначены для того, чтобы на выход каскада
подавалась переменная составляющая напряжения Uкэ, изменяющаяся по
закону входного напряжения, но значительно превышающая его по величине.
Мы выяснили, чем меньше емкость разделительного конденсатора,
подключаемого к нагрузке, в области низших частот, тем меньше
коэффициент усиления каскада. В области средних частот сопротивление
разделительного конденсатора не учитывается, так как их сопротивления
малы.
Блокировочный конденсатор Сэ служит для предотвращения отрицательной
обратной связи в каскаде по переменным составляющим.
Итак, АЧХ и ФЧХ используются для определения устойчивости усилителя,
т.е. способности сохранять свойство усиления и не переходить в режим
генерации.
Выходное и входное сопротивления каскада, найденные теоретическим
путем,
незначительно
отличаются
от
результатов,
полученных
экспериментально.
Усилительные каскады на основе биполярных транзисторов по схеме
включения с общим эмиттером часто применяются на практике, поскольку
они обладают высоким коэффициентом усиления по току, напряжению и
мощности.