Санкт-Петербургский политехнический университет имени Петра Великого

Отчет по лабораторной работе №10

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРОВ И ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМОТЕХНИКИ»

 

 

Выполнили: студенты группы №23435

Ковалев Евгений, Калниня Яна

Преподаватель: Лиокумович Л.Б.

 

 

Санкт-Петербург

2018 год

Цель работы:

Получение и углубление знаний о семействах ВАХ биполярных и полевых транзисторов, о способах оценки и измерения малосигнальных параметров. Приобретение навыка расчетов и измерений параметров элементарных усилительных каскадов на БТ и ПТ, а также закрепление знаний основных принципов линейной аналоговой интегральной схемотехники.

Программа выполнения работы:
Часть I. Семейства ВАХ БТ и простейшие каскады усиления на БТ:

-измерение и теоретические оценки малосигнальных Y-параметров БТ;

-измерение и расчет параметров усилительных каскадов с общим эмиттером и эмиттерного повторителя;

Часть II. Семейства ВАХ ПТ и простейшие каскады усиления на ПТ, дифференциальный каскад усиления:

- измерение и теоретические оценки малосигнальных Y-параметров;

- измерение и расчет параметров усилительных каскадов с общим истоком и истокового повторителя;

Ход работы:

1.Выбор рабочей точки.

Были выбраны и установлены следующие параметры рабочей точки:
Значение коллекторного тока – 4мА;
Значение коллекторного напряжения – 5В;

 

3.Измерение малосигнальных Y-параметров БТ.

I. Для измерения малосигнальных параметров y₁₁ и y₂₁была собрана схема(Рис.1), включено питание и установлена рабочая точка.

Рис.1

Нагрузочный резистор R_L=100 Ом
R_б=1 кОм.
Для измерения малосигнальных параметров были сняты величины амплитуд U₀,U_1,U₂напряжений ũ₀,ũ₁,ũ₂ с соблюдением условия малости сигнала ũ₁<5-6 мВ.

U₀=12 мВ;U₁=5 мВ;U₂=50 мВ. Искомые параметры находим по формулам:

y₁₁=(U₀-U₁)/(R_б∙U₁)=(12-5)∙10^-3/(1∙10³∙5∙10^-3)=1.4 мСм;

y₂₁=U₂/(R_L∙U₁)=50∙10^-3/100∙5∙10^-3=0.1 См.

Порядок полученных величин совпадает с теоретическими значениями
y₁₁=10^-3Cм; y₂₁=0.1 Cм.

II.Для измерения параметра y₂₂ была собрана схема(Рис.2) и установленная рабочая точка. Искомый параметр находится путем измерения амплитуд напряжений ũ_2,ũ₃.

Рис.2

R_б=1 кОм; С_бл1,С_бл2=150 мкФ,R_э=51 Ом;

Измерив амплитуды напряжений ũ_2,ũ₃получили значения U₂=2 В, U₃=8 мВ, необходимые для вычисления значения параметра y₂₂по формуле:
y₂₂=U₃/R_э∙U₂=8∙10^-3/51∙2=7.85∙10^-5Cм.
Порядок полученной величины совпадает с теоретическим значением y₂₂=2∙10^-5Cм.

III.Для измерения малосигнального параметра у₁₂ была собрана схема(Рис.3) и установлена рабочая точка.
Рис.3

Измерительный резистор R_б=150 Ом включен в цепь базы. Искомый параметр находится по результатам измерения амплитуд напряжений ũ₁,ũ₂. Измерив амплитуды напряжений ũ_1,ũ₂ были получены значения U₁=0.7мВ;U₂=2 В, необходимые для вычисления значения параметра у₁₂ по формуле:

у₁₂=U₁/R_б∙U₂=0.7∙10^-3/2∙150=2.33∙10^-6Cм;

Порядок полученной величины близок к теоретическому значению у_12­=-2∙10^-7 с учетом того, что был рассчитан модуль значения параметра, а на самом деле параметр имеет отрицательное значение.

 

IV. Сопоставляя оценочные параметры с измеренными была проведена оценка Y-параметров для заданной рабочей точки.

Параметр h₂₁=y₂₁/y₁₁=0.1/1.4∙10^-3=71;
Значение коллекторного тока I_к=4∙10^-3A;
Температурный потенциал U_T=25.5∙10^-3 B при Т=300 К;
Напряжение ЭрлиU_y̴80-200В
С помощью вышеизложенных величин была проведена оценка Y-параметров согласно формулам:

у₁₁ = I_к /(h₂₁∙U_T) =4∙10^-3/71∙25.5∙10^-3=2.2 мСм;

у₂₁ = I_к/U_T =4∙10^-3/25.5∙10^-3 = 0.15 См;

у₁₂ = - I_к/(h21∙U_y) = 4∙10^-3/71∙140=0.4∙10^-6Cм;

у₂₂ = I_к/U_y= 4∙10^-3/140=2.85∙10^-5Cм;

Таким образом,Y-параметры найденные теоретически близки к величинам, полученным экспериментально в пределах погрешности.

4.Измерение усилительных параметров простейших каскадов на биполярных транзисторах.

I.Усилительный каскад с общим эмиттером был собран по схеме(Рис.4)

Рис.4

Рабочая точка
Были выбраны и установлены следующие параметры рабочей точки:
Значение коллекторного тока – 4мА;
Значение коллекторного напряжения – 5 В;
R_б=1 кОм;
Чтобы реализовать режим работы транзистора по постоянному току значение величина R_L=390 Ом;

II.Для измерения коэффициентов усиления напряжения, тока, мощности и входного сопротивления были сняты величины амплитуды U₀,U₁,U₂напряжений ũ₀, ũ₁, ũ₂cсоблюдением условия малости сигнала(амплитуда напряжения ũ₁не превышала 6 мВ).
Таким образом U₀=13 мВ;U­_­1=5 мВ;U₂=175 мВ;
Далее воспользуемся следующими формулами для нахождения искомых величин:
K_U = U₂/U₁ = 175/5 = 35;
K_I=(U₂/R_L)/((U₀-U₁)/R_б) = (175∙10^-3/390)/((13-5)∙10^-3/10³) = 56;
K_P=|K_U|∙K_I=1960
R_вх = U₁/((U₀ – U₁)/R_б) = 5∙10^-3/((13-5)∙10^-3/10³)=625 Ом;

Порядок экспериментально полученных величин совпадает с табличным значением.

 

III. Рассчитаем найденные выше коэффициенты по следующим теоретическим формулам:

K_u ≈ - y₂₁ ∙R_L ≡ - S∙R_L = -0.1 ∙ 390 = -39;
К_I = h₂₁= 71;
Кp = |K_u|∙K_I = 39 ∙ 71 = 2769;
R_вх = 1/у₁₁= h₂₁/y₂₁ =71/0.1=710 Ом;

Таким образом порядок искомых величин, рассчитанных экспериментально, совпадает с порядком величин, полученных теоретическим расчетом. В общем значения входят в доверительный интервал погрешности.

IV. Для снятия амплитудной характеристики U₂ = f(U₁) усилителя с общим эмиттером форма выходных колебаний контролировалась осциллографом, а амплитуда U₁изменялась от значений, при которых наблюдались заметные искажения синусойды на выходе усилителя, до уровня слабого сигала (5-6 мВ)

АХ усилителя с общим эмиттером

U1,мВ	U2,B
	1,25
	1,20
	1,10
	0,95
	0,83
	0,70
	0,55
	0,38
	0,19

На начальном этапе наклон АХ определяется коэффициентом усиления по напряжению, затем начинается проявляться нелинейность характеристики т.к рост амплитуды выходногонапряжения отстает от роста напряжения входного.

 

 

 

V.По схеме указанной на Рис.5 был собран усилительный каскад с общим коллектором, рабочая точка была установлена аналогично предыдущим пунктам.

Рис.5

Измерения искомых параметров были проведены аналогично случаю усилительного каскада с общим эмиттером. Ключевое отличие заключается в том, что для повышения точности измерения R_вхбыло увеличено до значения R_б= 20 кОм;R_L= 390 Ом;
Таким образом получим:
U₀=50 мВ; U₁= 25 мВ; U₂= 25 мВ;

Используем полученные величины для вычисления искомых коэффициентов усиления и значения R_вх по уже известным формулам:
K_U = U₂/U₁=1;
K_I=(U₂/R_L)/((U₀-U₁)/R_б)=(25∙10^-3/390)/(25∙10^-3/20∙10³)= 51.3;
Кp = |K_u|∙K_I=51.3;
R_вх = U₁/((U₀ – U₁)/R_б)=25∙10^-3/(25∙10^-3/20∙10³)= 20 кОм;

VII.Амплитудная характеристика U₂=f(U₁) усилителя с общим коллектором снимается аналогично АХ усилителя с общим эмиттером.

 

U1,В	U2,B
	0.8
0.5	0.46
0.4	0.36
0.3	0.27

График АХ усилителя с общим коллектором отличается от графика АХ усилителя с общим эмиттером т.к. к эмиттерному переходу приложена лишь часть входного сигнала.

VIII.Найдём выходное сопротивление усилителя с общим коллектором по результатам измерения, ũ₂^’, ũ₂^’’, которые соответствуют различным значениям сопротивлений нагрузки. При выполнении этого пункта амплитуда U₁остается неизменной, а сопротивление R =0.
Таким образом получим:

U₁=20 мВ;
R_L^’ = 50 Ом; U₂^’=15 мВ;
R_L^’’=20 Ом; U₂^’’=11 мВ;
Используя полученные величины рассчитаем выходное сопротивление усилительного каскада с общим коллектором по известной формуле:
R_вых= (U₂^’’-U₂^’)/(( U₂^’’/ R_L^’’)-( U₂^’/ R_L^’))=160 Ом;

IX.Рассчитаем искомые коэффициенты и значения сопротивлений по теоретическим формулам:

K_U^’=-S∙R_L=0.1∙390=39;K_U=K_U^’/1+ K_U^’=0.975;
K_I=1+h₂₁=72; K_p= K_I∙K_U=70.2;
R_вх=(1+K_U^’)∙h₂₁/S = 28.4 кОм;
R_вых≈ 1/S=10 Ом;