Лабораторная работа №5 Исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе, включённом по схеме с общим эмиттером (оэ) в режиме класса а.

Цель работы: изучение работы схемы с автоматическим смещением, температурой и стабилизацией рабочего режима, с одним источником питания E. Задание режима рабочей точки по постоянному току и определение основных технических показателей каскада усиления в области средних частот.

Приборы, необходимые для работы: осциллограф, генератор, мультиметр, блок питания, лабораторный стенд, усилительный каскад.

Ход работы:

Исследования производим по схеме на рис.5.1.

1. Задание режима рабочей точки по постоянному току

2. Определение основных технических показателей каскада усиления в области средних частот

3. Построение амплитудной характеристики усилительного каскада, включённого по схеме с ОЭ.

4. Построение амплитудно-частотной характеристики усилительного каскада, включённого по схеме с ОЭ.

5. Вычисление коэффициента частотных искажений для крайних частот F_н и F_В полосы пропускания от 50 Гц до 10 кГц

Рис.5.1 Схема исследования усилительного транзистора с ОЭ.

Указания к отчёту:

Отчёт должен содержать:

1. Точное наименование и цель работы

2. Таблицу основных данных исследуемого каскада

3. Принципиальную схему каскада

4. Таблицы измерений

5. Расчёт основных технических показателей

6. Краткие выводы о работе

Контрольные вопросы:

1. Укажите особенности включения транзистора с ОЭ.

2. Укажите основные достоинства и недостатки усилительного каскада с ОЭ.

3. Какую зависимость транзистора определяет его входная характеристика ?

4. Какую зависимость транзистора определяет его выходная характеристика ?

5. Охарактеризуйте коэффициенты передачи тока, напряжения и мощности.

6. Расскажите о практическом применении схем с ОЭ.

Основные данные исследуемого усилительного каскада, включённого по схеме с ОЭ.

Где I_Э = I_К + I_Б ; U_Э = (0,1 – 0,3)E_К ; U_ОБЭ = (0,4 – 0,7)B

рис.5.2.Схема исследования усилительного транзистора с ОЭ (на лабораторном стенде)

Рис. 5.3. Семейство выходных характеристик транзистора с ОЭ

Р

Кu = 8,6/0,1775 = 48

Ki = 1/0,063 = 15/8

Umбэ = (545-190)/2 = 177,5 мВ

Iмбэ = (163-37)/2 = 63мкА

ис. 5.4. Входная характеристика транзистора с ОЭ

Расчёт усилительного каскада по постоянному току

1. Принимаем I_ОЭ = 1,1 мA; U_Э = 0,2Е_К =0,2*25 = 5В; U_ОБЭ = 0,4 В

R_Э = U_Э / I_ОЭ = 5/1,1*10^-3 = 4,5 кОм

U_Б = U_ОБЭ + U_Э = 0,4 + 5 = 5,4 В

U_ОКЭ = Е_К – (I_ОК R_К + I_Э R_Э) = 25 – (10 +5) = 10 В

I_{К MAX} = 1,7 мА

2. На семейство выходных характеристик (Рис.5.3) наносим линию нагрузки: при Iк=0, Uкэ=Eкэ=25В – первая точка линии нагрузки; при Uкэ=0, Iк max= Eк/(Rк+Rэ)=1,7 мА – вторая точка линии нагрузки.

Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой должна совпадать с постоянными составляющими Iок и Uокэ.

3. С помощью мультиметра устанавливаем Iок = 1мА, Uб = 5,4В и измеряем R2 = 54 кОм, R3 = 15 кОм

4. Вычисляем Uобэ = Eк R3/(R2+R3) = 25*15 / (54+15) = 5,43 В

σ = (5,43-5,4)*100%/5,4 = 0,5%. Расхождение не должно превышать 5%.

5. Iоб = Iэ – Iк = 1,1 – 1,0 = 0,1 мА; Uобэ = 400 мВ.

6. Проверяем данные п.5, используя входные характеристики. Из рис.5.4 видно, что рассчётные даные не отличаются от установленного нами режима усилительного каскада по постоянному току.

Расчёт усилительного каскада, включённого по схеме с ОЭ в классе А при синусоидальном входном сигнале.

7. Определяем предельную максимально допустимую переменную составляющую тока коллектора из рис.5.3

Iмк мах = 1,58 мА; Iмк мin = 0,41 мА; Iмк доп = (1,59-0,41)/2= 0,59 мА;

Тогда амплитуда переменного напряжения на нагрузке:

Uмкэ доп = Iмк доп*(Rк+Rэ) = 0,59*1,45 = 8,6 В

8. Проверяем предельное максимально допустимое переменное напряжение Uмкэ доп из рис.5.3.

Uмкэ доп = Uокэ- Uк нас = 10 - 1,3 = 8,7 В

σ = (8,7-8,6)*100%/8,7 = 1%, что допустимо

9. Определяем предельную максимально допустимую переменную составляющую тока базы из рис.5.3.

Iб max = 163 мкА; Iб min = 37 мкА

Imб доп = (Iб max- Iб min)/2 = (163-37)/2 = 63 мкА

10. Определяем предельное максимально допустимое переменное напряжение Uмб из рис.5.4.

Uмбэ max = 545 мВ; Uмбэ min = 190 мВ;

Uмб доп = (545-190)/2=177,5 мВ;

11. Определение основных технических показателей каскада усиления с ОЭ.

Коэффициент усиления по напряжению Ku = Uмкэ доп/ Uмб доп = 48

Коэффициент усиления по току Ki = Iмк доп/ Iмб доп = 9,36 ≈ 10

Коэффициент усиления по мощности Kр = Ku Ki = 449 ≈ 450

Входное сопротивление Rвх = Uмб доп/ Iмб доп = 2,8 кОм

Выходное сопротивление Rвых = Uмк доп/ Iмк доп = 14,5 кОм

Выходная мощность Рвых = 0,5 Iмк доп Uмкэ доп = 2,54 мВт

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи Ро = Ек*Iок = 25*1*10^-3=25 мВт

КПД коллекторной цепи η = Рвых/ Ро = 2,54 мВт/25 мВт ≈ 0,1 =10%

Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока

Рок = Iок Uок = 1*10^-3 *10 = 10 мВт, т.е. режим работы допустим.

12. Построение амплитудной характеристики (рис.5.5.) на основании результатов измерений на лабораторном стенде (табл.5.1)

Uвх мВ	10	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200	220	240
Uвых мВ	1	2,2	3,5	3,9	4,7	5,1	6	6,2	7,4	7,9	8,5	8,9	9,2

Таблица 5.1

рис.5.5 Амплитудная характеристика для измерений на лабораторном стенде

13. Построение АЧХ (рис.5.6.) усилителя на основании результатов измерений на лабораторном стенде (табл. 5.2.).

f	50	100	200	300	500	700	1000	2000	3000	4000	5000	6000	8000	10000
K	34	44,5	46	47	47,5	47,5	47,8	47,4	46	45	43	40	34	28

Табл. 5.2.

Коэффициент частотных искажений для крайних частот Fн и Fв полосы пропускания от 50 до 10000 Гц, где Кср = 47,8 коэффициент усиления для Fср =1000 Гц.

Mн = Кср/Кн = 47,8/34 = 1,41

Mн (дб) = 20lg (Кср/Кн) = 20lg (47,8/34) =20lg 1,41

Mв = Кср/Кв = 47,8/28 = 1,707

Mв = 20lg Кср/Кв = 20lg 47,8/28 = 20lg 1,707.

рис.5.6. АЧХ для измерений на лабораторном стенде

рис.5.7. Схема исследования усилительного транзистора с ОЭ (в среде Electronics Workbench)

Расчёт усилительного каскада по постоянному току

1. Принимаем I_ОЭ = 1,1 мA; U_Э = 0,2Е_К =0,2*25 = 5В; U_ОБЭ = 0,4 В

R_Э = U_Э / I_ОЭ = 5/1,1*10^-3 = 4,5 кОм

U_Б = U_ОБЭ + U_Э = 0,4 + 5 = 5,4 В

U_ОКЭ = Е_К – (I_ОК R_К + I_Э R_Э) = 25 – (10 +5) = 10 В

I_{К MAX} = 1,7 мА

2. На семейство выходных характеристик (Рис.5.3) наносим линию нагрузки: при Iк=0, Uкэ=Eкэ=25В – первая точка линии нагрузки; при Uкэ=0, Iк max= Eк/(Rк+Rэ)=1,7 мА – вторая точка линии нагрузки.

Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой должна совпадать с постоянными составляющими Iок и Uокэ.

3. С помощью мультиметра устанавливаем Iок = 1мА, Uб = 5,4В и измеряем R2 = 54 кОм, R3 = 15 кОм

4. Вычисляем Uобэ = Eк R3/(R2+R3) = 25*15 / (54+15) = 5,43 В

σ = (5,43-5,4)*100%/5,4 = 0,5%. Расхождение не должно превышать 5%.

5. Iоб = Iэ – Iк = 1,1 – 1,0 = 0,1 мА; Uобэ = 400 мВ.

6. Проверяем данные п.5, используя входные характеристики. Из рис.5.4 видно, что рассчётные даные не отличаются от установленного нами режима усилительного каскада по постоянному току.

Расчёт усилительного каскада, включённого по схеме с ОЭ в классе А при синусоидальном входном сигнале.

7. Определяем предельную максимально допустимую переменную составляющую тока коллектора из рис.5.3

Iмк мах = 1,58 мА; Iмк мin = 0,41 мА; Iмк доп = (1,59-0,41)/2= 0,59 мА;

Тогда амплитуда переменного напряжения на нагрузке:

Uмкэ доп = Iмк доп*(Rк+Rэ) = 0,59*1,45 = 8,6 В

8. Проверяем предельное максимально допустимое переменное напряжение Uмкэ доп из рис.5.3

Uмкэ доп = Uокэ- Uк нас = 10 - 1,3 = 8,7 В

σ = (8,7-8,6)*100%/8,7 = 1%, что допустимо

9. Определяем предельную максимально допустимую переменную составляющую тока базы из рис.5.3.

Iб max = 163 мкА; Iб min = 37 мкА

Imб доп = (Iб max- Iб min)/2 = (163-37)/2 = 63 мкА

10. Определяем предельное максимально допустимое переменное напряжение Uмб из рис.5.4.

Uмбэ max = 545 мВ; Uмбэ min = 190 мВ;

Uмб доп = (545-190)/2=177,5 мВ;

11. Определение основных технических показателей каскада усиления с ОЭ.

Коэффициент усиления по напряжению Ku = Uмкэ доп/ Uмб доп = 48

Коэффициент усиления по току Ki = Iмк доп/ Iмб доп = 9,36 ≈ 10

Коэффициент усиления по мощности Kр = Ku Ki = 449 ≈ 450

Входное сопротивление Rвх = Uмб доп/ Iмб доп = 2,8 кОм

Выходное сопротивление Rвых = Uмк доп/ Iмк доп = 14,5 кОм

Выходная мощность Рвых = 0,5 Iмк доп Uмкэ доп = 2,54 мВт

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи Ро = Ек*Iок = 25*1*10^-3=25 мВт

КПД коллекторной цепи η = Рвых/ Ро = 2,54 мВт/25 мВт ≈ 0,1 =10%

Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока

Рок = Iок Uок = 1*10^-3 *10 = 10 мВт, т.е. режим работы допустим.

12. Построение амплитудной характеристики (рис.5.8.) на основании результатов измерений в среде Electronics Workbench (табл.5.3)

Uвх мВ	10	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200	220	240
Uвых мВ	1,3	2	2,85	3,8	4,7	5,6	6,5	7,3	8,1	8,8	9,4	9,7	9,85

Таблица 5.3.

рис.5.8. Амплитудная характеристика для измерений в среде Electronics Workbench

13. Построение АЧХ (рис.5.9.) усилителя на основании результатов измерений в среде Electronics Workbench (табл. 5.4.).

f	50	100	200	300	500	700	1000	2000	3000	4000	5000	6000	8000	10000
K	35	44	47	48	48	48	48	48	47	45	43	41	37	34

Табл. 5.4.

Коэффициент частотных искажений для крайних частот Fн и Fв полосы пропускания от 50 до 10000 Гц, где Кср = 48 коэффициент усиления для Fср =1000 Гц.

Mн = Кср/Кн = 48/35 = 1,37

Mн (дб) = 20lg (Кср/Кн) = 20lg (48/35) =20lg1,37

Mв = Кср/Кв = 48/34 = 1,41

Mв = 20lg Кср/Кв = 20lg48/34 = 20lg1,41.

рис.5.9. АЧХ для измерений в среде Electronics Workbench