Файл: Лаб. практ. з схемотехн .new.doc

У відповідності з встановленим на кафедрі порядком, захист може відбуватися або в кінці заняття, на якому виконувалась робота, або на протязі наступного лабораторного заняття.

Студент, який не захистив звіт більше чим з однієї лабораторної роботи, до виконання наступної не допускається.

При захисті оформленого і перевіреного звіту студент повинен показати, що основна мета цієї лабораторної роботи досягнута. Студент зобов’язаний:

- пояснити принцип дії пристрою, що досліджується;

- знати призначення і взаємодію елементів і вузлів, які входять в досліджуваний пристрій;

- базуючись на знаннях теорії, аналізувати характер досліджуваних залежностей, а також узагальнювати отримані дані і робити вірні висновки;

- давати відповіді на будь-яке питання, що стосується процесу експериментальних досліджень, а також контрольні питання до роботи.

Лабораторна робота № 1

ДОСЛІДЖЕННЯ ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ КАСКАДІВ НА

УНІПОЛЯРНИХ ТА БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ

Мета роботи - експериментально дослідити параметри та характеристики підсилювальних каскадів на уніполярних та біполярних транзисторах. Вивчити вплив основних елементів каскадів на їх основні параметри та характеристики.

Теоретичні відомості

В залежності від вигляду прохідної характеристики I_C = f(U_ЗВ) уніполярного транзистора (УТ), схеми живлення затворного кола підсилювального каскаду різні. Якщо прохідна характеристика має вигляд, зображений на рис.1.1,а, що відповідає польовому транзистору з р-n переходом, то положення робочої точки (р.т.) задається схемою автоматичного зміщення (рис.1.2,а). При цьому U_ЗВ = U_З - U_В, падіння напруги U₃, що виникає на R_З, за рахунок дії струму І_З, можна вважати рівним нулю внаслідок малого І_З.

В такому випадку U_ЗВ = -U_В при U₃=0. В свою, чергу для наведеної схеми U_В = I_ВR_В, a U_ЗВ = –I_ВR_В. Цю схему використовують для встановлення положення робочої точки при незбіжності знаків напруг на затворі та стоці транзистора.

Для транзисторів з вмонтованим та індукованим каналом (рис. 1.1,б), використовують схему з подільником в затворному колі (рис. 1.2,б). В даному випадку U_ЗВ = U_З - U_В, але U_З = I_ПОДR2, де І_ПОД = Е  (R1 + R2). Очевидно, що схема дозволяє забезпечити U_З > U_В .

Для МДН - транзистора з вмонтованим каналом, що працює в режимі збіднення (р.т. А₁), оптимальною буде перша схема, як схема з мінімальною кількістю елементів, яка також рекомендована для використання при положенні р.т. А_О, а друга - при р.т. А₂, А₃. Застосування другої схеми можливе лише у випадку коли знаки напруг в затворному та стоковому колах транзистора збігаються (р.т. А₂,А₃).

Зв’язок між підсилювальними каскадами виконується через конденсатор С_Р. Відомо, що для постійної складової С_Р забезпечує нескінченно великий опір. Значення ємності конденсатора С_Р вибирається так, щоб його опір був незначним порівняно з опором R3 (рис. 1.2, а). Конденсатор С_В, необхідний для фільтрування змінної напруги та усунення від’ємного зворотного зв’язку (ВЗЗ), послідовного за змінним струмом. Для усунення шунтуючої дії подільника R1, R2, в схемі зображений на рис. 1.2,б, в середню точку подільника під’єднують додатково резистор R₃. Живлення кола другого затвора виконується аналогічно першому, при цьому напруга Uз₂в = Uз₂ - Uв задається у відповідності до вимог для даного типу транзистора. Конденсатор С, під’єднаний до другого затвору, усуває зв’язок виходу підсилювального каскаду з входом через міжелектродні ємності транзистора.

Фільтр в стоковому колі необхідний для підвищення стійкості підсилювача до самозбудження. В багатокаскадному підсилювачі з спільним джерелом живлення через його внутрішній опір протікає сумарний струм усіх каскадів. Очевидно, що падіння напруги на опорі навантаження останнього каскаду найбільше, цей каскад має найбільшу амплітуду вихідного струму. Частина цієї напруги через коло живлення підсилювача може бути прикладеною до вхідних каскадів через опір джерела живлення.

Коефіцієнт підсилення підсилювального каскаду (ПК) в області середніх частот (СЧ) дорівнює

К₀ = R_∑ = SR_∑,

де , S, R_i - відповідно статичний коефіцієнт підсилення, крутість та внутрішній опір польового транзистора;

R_ - паралельне з’єднання опорів R_H, R_i­ ,R_З.

З еквівалентної схеми і виразу для коефіцієнта підсилення за напругою К_О відомо, що в області СЧ коефіцієнт підсилення не залежить від частоти сигналу.

Залежність коефіцієнта підсилення К_О каскаду від зміни опору навантаження (або коефіцієнта навантаження  = R_H R_i ) зображено на рис. 1.3,а.

Легко довести, що при R_H   теоретично можна досягти значення К_О =  (рис. 1.3,а). Однак на практиці, в зв’язку із збільшенням R_H, одночасно зменшується значення постійної складової струму стоку Іс_О і напруги Uc_О , що призводить до зміщення р.т. каскаду.

Для малого R_H має місце динамічна характеристика 1 (амплітуда U_ВХ незмінна і дорівнює, наприклад, 0,5 В), форма вихідної напруги (U_вих1) синусоїдальна (рис. 1.3,б).

При збільшенні R_H (динамічна характеристика 2) струм Іс_О і напруга Uc_O зменшується, вихідна напруга збільшується (U_вих2), що пояснює появу лінійної ділянки навантажувальної залежності К_О = f(R_H). Подальше збільшення R_H (динамічна характеристика 3) призводить до зміщення р.т. А в область насичення, зменшенню амплітуди вихідного сигналу, появі нелінійних спотворень (U_вих3), і зменшення значення К_О.

Рисунок 1.3- Характеристики підсилювального каскаду

Рисунок 1.4 – Фазочастотна характеристика

Оскільки в області СЧ коефіцієнт підсилення практично не залежить від частоти, фазовий зсув тут близький до нуля. Максимальне значення фазового зсуву в області низьких і високих частот не перевищує 90.

Відмінністю біполярного транзистора (БТ) від УТ є залежність його параметрів і характеристик від температури і частоти. Температурна нестабільність БТ визначається зміною некерованого струму І_КБo, температурним зміщенням характеристик БТ.

Струми БТ зв’язанні співвідношенням

І_Е = І_К + І_Б , І_К = h_{21Б ­­}х І_Е + І_КБo.

Очевидно, що коле­кторний струм БТ змінюється при зміні h_21Б, І_Е або І_КБo.

Режим каскаду на БТ стабілізується схемою емітерної стабілізації (рис. 1.5,а).

При збільшенні температури зростає струм І_КБО , а також і струм І_К в р.т. Можна вважати, що І_Е  І_К , а це призводить до збільшення падіння напруги U_E на R_Е і, як наслідок, до зменшення U_БЕ, так як U_БЕ =U_Б - U_Е .

Стабільність опорної напруги U_Б забезпечується подільниками R_Б' і R_Б'' . Резистори подільника вибрані таким чином, щоб І_ПОД >> І_Б. Тоді зміна струму бази І_Б практично не впливає на U_Б. Збільшення колекторного струму компенсується зменшенням напруги зміщення U_БЕ або, що є теж саме, струму бази І_Б і струму колектора І_К (рис.1.5,б).

Призначення інших елементів каскаду на БТ, а також принцип його роботи аналогічний каскаду на УТ.

Фазочастотна характеристика каскаду на БТ має такий же вигляд, що і для каскаду на УТ, але відрізняється значеннями фазового зсуву в області ВЧ, що пов’язано з комплексним значенням крутості БТ, і обумовлює значне запізнення вихідної напруги відносно вхідної (при нескінченному збільшенні частоти сигналу, фазове зміщення в БТ може досягати 180).

Опис лабораторного макету

Лабораторний макет являє собою два двокаскадних аперіодичних підсилювача (рис.1.6). Двокаскадний підсилювач на уніполярних транзисторах VT1 та VT2, КП306 і КП303, та біполярних VT3, VT4, КТ315А. Підсилювачі мають спільний вхід та вихід, які комутуються перемикачами S1, S6. Опір навантаження підсилювальних каскадів VT1 i VT3 може змінюватися - перемикачами S7 та S8. Конденсатори С5 та С6, в колі послідовного ВЗЗ за змінним струмом, під’єднуються перемикачем S2. Зв'язок між каскадами здійснюється розділовими конденсаторами С7, С8, С9, С10, котрі можуть змінюватися перемикачем S3. Перемикач S4 дозволяє виконати перехресне включення каскадів УТ - БТ та БТ - УТ.

Резистори R17 та R27 дозволяють змінювати положення робочої точки транзисторів. Перемикачем S5 під’єднується конденсатор С11 для дослідження впливу ємнісної складової навантаження. Виходи каскадів навантажені на кола, що імітують вхід наступного каскаду - R29, R34 та C12, C14. Живлення схеми здійснюється від джерела напругою +15 В.

Домашнє завдання

1. Ознайомитись з теоретичними положеннями та лекційним матеріалом з даної теми.

2. Ознайомитись зі схемою лабораторного макету та системою комутації кіл макету.

3. Розрахувати очікуване значення коефiцiєнтiв підсилення каскадів на VT1 та VT3 в області СЧ для номіналів, вказаних на схемі (рис. 1.6.).

4. Ознайомитись з приладами та обладнанням, необхідним для проведення досліджень.

5. Розробити методику дослідження основних показників та характеристик у вiдповiдностi з програмою експериментальних досліджень.

6. Визначити внутрішній опір транзистора КП306Б при нормальному положенні робочої точки, напруга джерела живлення +15 В, опір навантаження 5.1 кОм.

Програма експериментальних досліджень

1. Підключити схему підсилювача на уніполярних транзисторах.

2. Визначити режими транзисторів за постійним струмом (Uc, Uв, Uз1, Uз2, Uзв). Встановити оптимальне положення робочої точки VT2, виходячи з мінімальних спотворень форми сигналу.

3. Визначити коефiцiенти підсилення напруги кожного з каскадів. Виміри провести при Rн = 10 кОм, Uвх = 50 мВ, F = 1 кГц. Дослідити дію конденсатора С5 на коефіцієнт підсилення.

4. Встановити залежність коефіцієнта підсилення від коефіцієнта навантаження = Rн/Ri. Дослідження провести при параметрах сигналу згідно п.3 та зміни опору навантаження в межах 1...33 кОм.

5. Дослідити амплітудну характеристику підсилювача при опорах навантаження 3...10 кОм. Частоту сигналу встановити рівною 1кГц, значення рівня вхідного сигналу змінювати в межах 0...200 мВ. Визначити лінійні та нелінійні ділянки амплітудної характеристики та динамічний діапазон сигналу підсилювача.

6. Дослідити амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) підсилювача при опорах навантаження 1кОм; 5,1кОм; 10 кОм. Орієнтовний рівень вхідного сигналу 50 мВ. Можливо використовувати інші значення рівня у випадку значних спотворень форми вихідного сигналу. Частоту сигналу змінювати в межах 20 Гц - 1000 кГц. Визначити області НЧ, СЧ, ВЧ.

7. Дослідити АЧХ підсилювача при різних значеннях ємності розділового конденсатора. Досліди провести при опорі навантаження 10 кОм.

8. Визначити частотні спотворення підсилювача Мн та Мв, на частотах 50 Гц та 50 кГц i смугу пропускання на рівні 3 дБ, для всіх використаних значень опорів навантаження i ємностей розділового конденсатора.

9. Дослідити фазочастотну характеристику (ФЧХ) підсилювача при опорах навантаження 1кОм та 10кОм. Використати для визначення фазового зсуву між вхідною та вихідною напругою фазометр.

10. Підключити підсилювач на біполярних транзисторах.

11. Визначити режими транзисторів за постійним струмом ( Uk,Ue, Uб, Uбе ). Виставити оптимальне положення робочої точки VT3 (по формі вихідного сигналу).

12. Визначити коефіцієнти підсилення напруги кожного з каскадів VT3, VT4. Виміри провести при Rн=4,7 кОм, Uвх=5мВ, F=1кГц. Дослідити дію конденсатора С6 та шунтуючу дію наступного каскаду.

13. Встановити залежність коефіцієнта підсилення від опору навантаження. Дослід проводити при параметрах сигналу згідно п.12 та зміни опору навантаження в межах 0,5...30 кОм.

14. Дослідити амплітудну характеристику підсилювача при опорах навантаження 2,2 кОм i 1 кОм на частоті 1кГц, вхідний сигнал змінювати в межах 0...200 мВ. Далi згідно п.5.

15. Дослідити АЧХ підсилювача при трьох значеннях опору навантаження 0,5кОм; 4,7кОм; 15кОм. Орієнтовний рівень вхідного сигналу 5 мВ. Частоту сигналу змінювати в межах 20 Гц - 1000 кГц.

16. Дослідити АЧХ підсилювача при різних значеннях ємності розділового конденсатора. Дослід провести при опорі навантаження 4,7кОм.

17. Відповідно з п.8.

18. Дослідити ФЧХ підсилювача при опорах навантаження 0,5 кОм та 4,7 кОм.

Досліджувальна та вимірювальна апаратура

1. Лабораторний стенд.

2. Джерело живлення.

3. Генератор сигналів низькочастотний Г3-102

4. Генератор сигналів високочастотний Г4-102

5. Вольтметр цифровий В7-27А

6. Мілівольтметр В3-38 або В3-39, В3-40.

7. Осцилограф С1-67 або С1-86.

8. Фазометр Ф2-28.

Короткі методичні вказівки до розрахунку

Для розрахунку внутрішнього опору транзистора в р.т необхідно використовувати його вихідні характеристики, взяті з довідника

R_i = U_CВ  I_C,

Частотні спотворення М_Н та М_В обчислити в дБ за виразом М_Н(В) =20lgK₀ K_{Н (В)}, визначивши за частотними характеристиками область СЧ, К₀ і відповідно К_Н та К_В. Смугу пропускання підсилювача визначити як різницю частот F_В, F_Н (F = F_В - F_Н) на рівні 3дБ (0, 707К₀).