Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт инженерной физики и радиоэлектроники Кафедра приборостроения и наноэлектроники ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №3 Исследование реостатного каскада Преподаватель Студент ____________ подпись, дата РФ19-32Б ____________ подпись, дата Красноярск 2021 А. М. Ситников Ю. Н. Захарков Цель работы Исследование амплитудно-частотных, фазо-частотных характеристик реостатного каскада, исследование связи амплитудной характеристики каскада с коэффициентом нелинейных искажений. Таблица 1 – Индивидуальные коэффициенты Фамилия Множитель Имя З 6,8 Множитель Ю 12 Номер зачётной книжки 051939690 Множитель 2 Схема с общим коллектором Применим индивидуальные коэффициенты для варьируемых параметров схемы и номиналов элементов в соответствии с таблицей 1, умножая Uп (3,5В) на коэффициент первой буквы фамилии, Rн (1 кОм) на коэффициент первой буквы имени, а Ср1 (10 нФ), Ср2 (10 нФ) на коэффициент последней цифры номера зачетной книжки. Таблица 2 – Параметры схемы и номиналы элементов для схемы с ОК Uп, В Rн, кОм Ср1, нФ Ср2, нФ 23,8 12 20 20 Рисунок 1 – Схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель) Произведём упрощённый расчет схемы с ОК. Максимальное выходное (неискаженное) напряжение на нагрузке Uн (1.1): 2 𝑈н = 𝑈п 2√2 = 8.41 В (1.1) Ток нагрузки (1.2): 𝐼н = 𝑈н = 0.0007 А 𝑅н (1.2) Тогда ток покоя каскада (при отсутствии сигнала): 𝐼0 = 𝐼н ∙ 5 = 0.0035 А (1.3) Постоянное напряжение на эмиттере транзистора относительно общего провода схемы (для обеспечения максимального динамического диапазона выходного сигнала) (1.4): 𝑈0 = 𝑈п = 11.9 В 2 (1.4) Тогда (1.5): 𝑅э = 𝑈0 = 3.4 кОм (Е24: 3.3 кОм) 𝐼0 (1.5) Ток базы (1.6): 𝐼б = 𝐼0 = 35 мкА ℎ21 (1.6) Ток делителя Rб1, Rб2 (1.7): 𝐼д = 𝐼б ∙ 5 = 175 мкА (1.7) Напряжение между базой и эмиттером транзистора составляет 0,6-1 В. Тогда (1.8): 𝑈0 + 0.6 = 71429 Ом (Е24: 68 кОм) 𝐼д 𝑈0 − 0.6 = = 64500 Ом (Е24: 62 кОм) 𝐼д 𝑅б2 = 𝑅б1 (1.8) Составим схему с индивидуальными параметрами и номиналами элементов в редакторе для моделирования (рис. 2). 3 Рисунок 2 – Схема включения транзистора с ОК Промоделируем работу схемы на частоте 1 кГц (рис. 3): Рисунок 3 – Работа схемы с ОК на частоте 1кГц Получим максимальную амплитуду выходного сигнала: 𝑈𝑚 вых = 7.99 В при 𝑈𝑚 вх = 10 В. 4 Оптимизируем элементы базового делителя напряжения и Rэ, для получения максимальной неискаженной амплитуды обеих полуволн синусоидального сигнала (таблица 3): Таблица 3 – Оптимизированные и расчётные Rб и Rэ Параметр Расчётное значение, кОм Rэ Rб1 Rб2 3.3 62 68 Оптимизированное значение 3.9 75 100 Уменьшим амплитуду входного сигнала в два раза и измерим полученный коэффициент усиления на частоте 1 кГц (1.9): 𝑈𝑚 вх = 5 В 𝑈𝑚 вых = 4.014 В (1.9) 𝑈𝑚 вых 𝐾= = 0.8028 𝑈𝑚 вх Найдём нижнюю и верхнюю граничные частоты усилителя, по снижению уровня выходного сигнала на 3 дБ, изменяя частоту подаваемого сигнала в диапазоне от 0,1 Гц до 100 МГц. 𝑈вых 𝑚𝑎𝑥 = 3.514 В 𝑈вых 𝑚𝑎𝑥 𝑈вых = = 2.483 В √2 𝑓н = 746 Гц , 𝑓в = — (1.10) Графики АЧХ и ФЧХ приведены на рисунках 4, 5. Рисунок 4 – АЧХ схемы с ОК 5 Рисунок 5 – ФЧХ схемы с ОК Схема с общим эмиттером Применим индивидуальные коэффициенты для варьируемых параметров схемы и номиналов элементов в соответствии с таблицей 1, умножая Uп (3,5В) и Rэ1 (51 Ом) на коэффициент первой буквы фамилии, Rн (1 кОм) на коэффициент первой буквы имени, а Ср1 (10 нФ), Ср2 (10 нФ) и Cэ (100 пФ) на коэффициент последней цифры номера зачетной книжки. Таблица 4 – Параметры схемы и номиналы элементов для схемы с ОЭ Uп, В Rэ1, Ом Rн, кОм Ср1, нФ Ср2, нФ Сэ, пФ 23,8 360 12 20 20 200 Рисунок 6 – Схема включения транзистора с общим эмиттером Произведём упрощённый расчет схемы с ОЭ. Максимальное выходное (не искаженное) напряжение на нагрузке Uн (2.1): 6 𝑈н = 𝑈п 2√2 (2.1) = 8.41 В Ток нагрузки (2.2): 𝑈н = 0.0007 А 𝑅н 𝐼н = (2.2) Тогда ток покоя каскада (при отсутствии сигнала): 𝐼0 = 𝐼н ∙ 5 = 0.0035 А (2.3) Постоянное напряжение на эмиттере транзистора относительно общего провода схемы (для обеспечения максимального динамического диапазона выходного сигнала) (2.4): 𝑈0 = 𝑈п = 11.9 В 2 (2.4) Тогда (2.5): 𝑈0 = 3.4 кОм (Е24: 3.3 кОм) 𝐼0 𝑅э = 𝑅к ∙ 0.1 = 0.34 кОм (Е24: 330 Ом) 𝑅к = 𝑈э = 𝑈0 = 1.19 В 10 (2.5) (2.6) 𝑈б = 𝑈э + 0.6 = 1.79 В 𝐼б = 𝐼0 = 35 мкА ℎ21 Ток делителя Rб1, Rб2 (2.7): 𝐼д = 𝐼б ∙ 5 = 175 мкА (2.7) Сопротивления базового делителя (2.8): 𝑅б2 = 𝑈0 + 0.6 = 71429 Ом (Е24: 68 кОм) 𝐼д 7 (2.8) 𝑅б1 = 𝑈0 − 0.6 = 64500 Ом (Е24: 62 кОм) 𝐼д Составим схему с индивидуальными параметрами и номиналами элементов в редакторе для моделирования (рис. 7): Рисунок 7 – Схема включения транзистора с ОЭ Промоделируем работу схемы на частоте 1 кГц (рис. 8): 8 Рисунок 8 – Работа схемы с ОЭ на частоте 1кГц Получим максимальную амплитуду выходного сигнала: 𝑈𝑚 вых = 1.554 мВ при 𝑈𝑚 вх = 80 мВ. Оптимизируем элементы базового делителя напряжения и Rэ, для получения максимальной неискаженной амплитуды обеих полуволн синусоидального сигнала (таблица 5): Таблица 5 – Оптимизированные и расчётные Rб и Rэ Параметр Расчётное значение, Ом Rэ Rб1 Rб2 330 62000 68000 Оптимизированное значение, Ом 750 62000 100000 Уменьшим амплитуду входного сигнала в два раза и измерим полученный коэффициент усиления на частоте 1 кГц (2.9): 𝑈𝑚 вх = 40 мВ 𝑈𝑚 вых = 0.778 мВ 𝑈𝑚 вых 𝐾= = 0.0195 𝑈𝑚 вх (2.9) Найдём нижнюю и верхнюю граничные частоты усилителя, по снижению уровня выходного сигнала на 3 дБ, изменяя частоту подаваемого сигнала в диапазоне от 0,1 Гц до 100 МГц. 9 𝑈вых 𝑚𝑎𝑥 = 27.65 мВ 𝑈вых 𝑚𝑎𝑥 𝑈вых = = 19.55 мВ √2 𝑓н = 748 кГц , 𝑓в = — (2.10) Графики АЧХ и ФЧХ приведены на рисунках 9, 10. Рисунок 9 – АЧХ схемы с ОЭ Рисунок 10 – ФЧХ схемы с ОЭ Схема с общей базой Применим индивидуальные коэффициенты для варьируемых параметров схемы и номиналов элементов в соответствии с таблицей 1, умножая Uп (3,5В) и Rэ1 (100 Ом) на коэффициент первой буквы фамилии, Rн (1 кОм) на коэффициент первой буквы имени, а Ср1 (10 нФ), Ср2 (10 нФ) и Cэ (100 пФ) на коэффициент последней цифры номера зачетной книжки. 10 Таблица 6 – Параметры схемы и номиналы элементов для схемы с ОЭ Uп, В Rэ1, Ом Rн, кОм Ср1, нФ Ср2, нФ Сэ, пФ 23,8 360 12 20 20 200 Рисунок 11 – Схема включения транзистора с общей базой Упрощённый расчёт схемы с ОБ аналогичен расчету с ОЭ. Составим схему с индивидуальными параметрами и номиналами элементов в редакторе для моделирования (рис. 13): Рисунок 12 – Схема включения транзистора с ОБ 11 Промоделируем работу схемы на частоте 1 кГц (рис. 14): Рисунок 13 – Работа схемы с ОБ на частоте 1кГц Получим максимальную амплитуду выходного сигнала: 𝑈𝑚 вых = 5.175 мВ при 𝑈𝑚 вх = 400 мВ. Оптимизируем элементы базового делителя напряжения и Rэ, для получения максимальной неискаженной амплитуды обеих полуволн синусоидального сигнала (таблица 8): Таблица 7 – Оптимизированные и расчётные Rб и Rэ Параметр Расчётное значение Rэ Rб1 Rб2 330 Ом 62 кОм 68 кОм Оптимизированное значение 750 Ом 62 кОм 68 кОм Уменьшим амплитуду входного сигнала в два раза и измерим полученный коэффициент усиления на частоте 1 кГц (3.1): 𝑈𝑚 вх = 200 мВ 𝑈𝑚 вых = 2.568 мВ 𝑈𝑚 вых 𝐾= = 0.0128 𝑈𝑚 вх (3.1) 12 Найдём нижнюю и верхнюю граничные частоты усилителя, по снижению уровня выходного сигнала на 3 дБ, изменяя частоту подаваемого сигнала в диапазоне от 0,1 Гц до 100 МГц. 𝑈вых 𝑚𝑎𝑥 = 350 мВ 𝑈вых 𝑚𝑎𝑥 𝑈вых = = 247.487 мВ √2 𝑓н = 34 кГц , 𝑓в = 634 кГц (3.1) Графики АЧХ и ФЧХ приведены на рисунках 15, 16. Рисунок 14 – АЧХ схемы с ОБ Рисунок 15 – ФЧХ схемы с ОБ 13 Выводы Схема с общим коллектором (ОК) имеет усиление по напряжению 0.99. На частотах максимального усиления смещение напряжения не характерно для данной схемы подключения (что видно по ФЧХ), то есть напряжение на выходе практически соответствуют входному напряжению. Для схемы с общим эмиттером отличительная особенность – изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК. Схема с ОБ хороша при использовании сигналов высоких частот, такое включение транзистора для этого, в первую очередь, и используется. 14 ПРИЛОЖЕНИЕ А Схема включения транзистора с общим коллектором 15 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Схема включения транзистора с общим эмиттером 16 ПРИЛОЖЕНИЕ В Схема включения транзистора с общей базой 17