Отчет4лаба4

Национальный исследовательский университет ресурсоэффективных
технологий
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Отчет по лабораторной работе №4
по дисциплине ЭЛЕКТРОНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА ОЭ
Выполнил: студент гр. 8в72
Шевчик М. В.
Проверил: доцент
Рыбин Ю. К.
Томск 2009
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:
3.2. Анализ режима покоя.
Рис. 1. Схема для исследования режима покоя транзистора (R6=2.4 кОм)
Напряжение питания схемы – 8.902 В;
напряжение на коллекторе – 5.464 В;
напряжение на базе – 1.456 В;
2
напряжение на эмиттере – 0.861 В.
Падение напряжения на коллекторном переходе:
𝑈п = 𝑈пит − 𝑈𝑘 ; 𝑈п = 8.902 − 5.464 = 3.438 В.
Ток покоя в рабочей точке транзистора (Iпок=3.55 мА):
Рис. 2. Выходные ВАХ транзистора с нагрузочной прямой по постоянному току и
рабочей точкой
Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Uкэ:
𝑈кэ теор = 𝑈𝑘 − 𝑈э = 5.464 − 0.861 = 4.603 В;
𝑈кэ эксп. = 4.604 В.
3.3. Определение максимальных значений выходного гармонического
напряжения.
3.3.1. 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 = 4.603 В , 𝐼𝑘пок = 3.55 мА;
3
вторая точка:
Ik=0 , Uk=∆U+ 𝑈кэ ;
∆𝑈 = 𝐼𝑘пок ∗ 𝑅Н~ = 3.55 ∗ 800 = 2.84 В;
𝑈𝑘 = 4.603 + 2.84 = 7.443 В):
Рис. 3. Выходные ВАХ транзистора с нагрузочными прямыми по переменному току с
нагрузкой RL и без нее
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 = 2.7 В.
Полученные значения используем как верхний предел амплитуды выходного
гармонического сигнала, при котором реализуется линейный режим работы
усилительного каскада.
3.3.2. Экспериментальное определение.
4
Рис. 4. Схема усилительного каскада ОЭ
Рассчитаем коэффициент усиления по напряжения на холостом ходу и при
подключенной нагрузке.
h21 = 51.3;
h11 = 535.4 Ом.
Коэффициенты усиления по напряжению:
На холостом ходу: K = -h21 * Rk / h11 = -51.3 * 1200 / 535.4 = -114.9;
с нагрузкой: K = -h21 * (Rk||RL) / h11 = -72.6.
Ориентировочное значение амплитуды входного напряжения равно:
на холостом ходу: |Uвх| = |Uвых| / |K| = 3.1 / 114.9 = 27 мВ;
с нагрузкой: |Uвх| = |Uвых| / |K| = 1.3 / 72.6 = 18 мВ.
Проведем измерения цифровым осциллографом:
5
Рис. 5. График входного и выходного напряжения без нагрузки
Рис. 6. График входного и выходного напряжения с нагрузкой
Транзистор работает в линейном режиме, т.к. не наблюдается отсечки
сигнала. При подключении нагрузки амплитуда выходного напряжения
уменьшается.
Увеличим входное напряжение каскада:
6
Рис. 7. Временные диаграммы входного и выходного напряжения
Отсечка появляется в нижней полуволне сигнала. Это объясняется
ограничением значения максимальной амплитуды выходного сигнала.
3.4. Исследование АЧХ и ФЧХ усилительного каскада ОЭ
3.4.1. Получение характеристик базового варианта.
Результаты обработки экспериментальных данных:
Рис. 8. АЧХ и ФЧХ на низких и средних частотах
7
Рис. 9. АЧХ и ФЧХ на высоких частотах
Теоретические расчеты коэффициента усиления:
K H1
1
=
K0
1+ 1/(ωτ H1 ) 2
где τH1 = С1*(Rг + Rвх) = 10 * 10^-6 * (80 + 454.3) = 5.3 (мс);
K H2
1
=
K0
1+ 1/(ωτ H2 1) 2
где τ H2 = С2 *(Rн + Rвых) = 10 * 10^-6 * (2400 + 1200) =36 (мс);
K Э
K0
1+ (ωC ЭR Э ) 2
=
(1 + SR Э ) 2 + (ωC ЭR Э ) 2
где S = h21 / h11 = 0.095;
Суммарный коэффициент усиления определяется как:
K
K0
=
K H1
K0
*
K H2
K0
*
K Э
K0
Проведем теоретическую оценку для следующих частот:
50 Гц:
8
K H1
K0
K H2
K0
K Э
K0
=
=
=
1
1+ 1/(314 * 5.3 * 10^-3) 2
1
1+ 1/(314 * 36 * 10^-3) 2
= 0.857
= 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: 0.1.
100 Гц:
K H1
K0
K H2
K0
K Э
K0
=
=
=
1
1+ 1/( 628 * 5.3 * 10^-3) 2
1
1+ 1/( 628 * 36 * 10^-3) 2
= 0.958
= 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: 0.91
Сравним теперь теоретические значения с экспериментальными данными:
Коэффициент усиления для средних частот K0 = 37 ДБ = 10^37/20 = 70.8
Коэффициент усиления для частоты 50 Гц K1 = 34 ДБ = 50.1
Коэффициент усиления для частоты 100 Гц K2 = 36 ДБ = 63.1
В эксперименте получили следующие отношения:
50 Гц: |K|/K0 = 0.708
100 Гц: |K|/K0 = 0.891
3.4.2. Исследование изменений характеристик каскада из-за влияния
выходного разделительного конденсатора.
Вместо конденсатора C4 подключим C3. Проведем измерения аналогично
предыдущему пункту:
9
Рис. 10. АЧХ и ФЧХ на низких и средних частотах
Рис. 11. АЧХ и ФЧХ на высоких частотах
Изменения второй временной постоянной:
10
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: 0,534.
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: 0,832.
Коэффициент усиления для средних частот K0 = 37 ДБ = 10^37/20 = 70,8.
Коэффициент усиления для частоты 50 Гц K1 = 31.5 ДБ = 37,6.
Коэффициент усиления для частоты 100 Гц K2 = 35.5 ДБ = 58,9.
В эксперименте получили следующие отношения:
50 Гц: |K|/K0 = 0,529;
100 Гц: |K|/K0 = 0,839.
Уменьшение емкости разделительных конденсаторов влечет за собой
уменьшение коэффициента усиления в области низких частот. Из графиков,
уменьшение разделительной емкости приводит к уменьшению фазового
сдвига на низких и средних частотах.
3.4.3. Исследование изменений характеристик каскада из-за
подключения к выходу каскада дополнительной емкости нагрузки.
Введем теперь в цепь конденсатор C6 емкостью 47 нФ параллельно нагрузке.
11
Рис. 12. АЧХ и ФЧХ на низких и средних частотах
Рис. 13. АЧХ и ФЧХ на высоких частотах
В области высоких частот происходит резкое уменьшение коэффициента
усиления из-за того, что падает сопротивление емкости, подключенной
параллельно нагрузке. В области низких и средних частот влияние емкости
невелико из-за того, что она обладает на этих частотах высоким
сопротивлением. Добавление конденсатора параллельного нагрузке
увеличивает фазовый сдвиг в области высоких частот.
12
3.4.4. Исследование изменений характеристик каскада из-за введения
отрицательной обратной связи.
Уберем теперь из цепи шунтирующий конденсатор C5, (появляется
последовательная отрицательная обратная связь по току).
Рис. 14. АЧХ и ФЧХ на низких и средних частотах
Рис. 15. АЧХ и ФЧХ на высоких частотах
При введении ООС коэффициент усиления на средних частотах стал равен
K0 = 8 ДБ = 2,5. Отсюда для последовательной отрицательной обратной
13
связи по току формула, определяющая коэффициент усиления: Kос = K /
(1+bK), где b – коэффициент обратной связи
b = (K/Kос -1)/K = 0,39.
Использование отрицательной обратной связи снижает коэффициент
усиления, который зависит от коэффициента обратной связи, тем самым
сглаживая искажения, вызываемые различным неточностями указанных
параметров транзисторов, и искажения вызванные изменениями
характеристик транзисторов по причине различных факторов.
3.4.5. Определение Rвх и Rвых.
Рис. 16. Схема вычисления входного и выходного сопротивления
Для нахождения входного сопротивления дополнительно используем
резистор R1 с сопротивлением 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 / (R1 + Rвх) = Uвых1 Rвх / (R1 + Rвх);
Uвых1 = 3.40 В;
Uвых2 = 0.60 В;
Rвх = R1 * Uвых2 / (Uвых1 – Uвых2) = 2.2*103*0,60/2,79= 488.5 Ом.
Теоретическое значение Rвх = RБ||h11Э = (R1||R2) || h11Э = 2069 || 535.4 = 454.0
Ом.
Определим выходное сопротивление, измерив выходное напряжения на
холостом ходу, и с подключенной нагрузкой RL. Из проведенного
эксперимента можно составить систему из двух уравнений.
Uвых1 = 7.9 В; Uвых2 = 5.2 В;
Rвых = RL*(Uвых1/Uвых2 – 1) = 2.4 * 10^3 * (7.9/5.2 – 1) = 1.25 кОм.
Теоретическое значение Rвых = Rк = 1.2 кОм.
14