 |
|
Підготовка до лабораторної роботи
Лабораторна робота №5
Дослідження каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером за допомогою програми схемотехнічного моделювання ElectroNic workbench 5.12
Мета лабораторної роботи: метою лабораторної роботи є моделювання та експериментальне дослідження каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером за допомогою програми схемотехнічного моделювання EWB
План виконання лабораторної роботи
1.1 Короткі теоретичні положення
1.2 Підготовка до лабораторної роботи
1.3 Послідовність розрахунку параметрів схеми
1.4 Робоче завдання
1.1 Короткі теоретичні положення
Схема каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером зображена на рис.5.1.
За допомогою подільника напруги (резистори 
, 
) задається (фіксується) постійна напруга на базі 
транзистора 
.
Якщо виконується умова 
, або (що практично теж саме 
), то постійна напруга визначається формулою:
. (5.1)
Рисунок 5.1 – Схема каскадупідсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером
Постійна напруга на емітері 
визначається формулою:
, (5.2)
де 
- постійна напруга на переході база-емітер (в інженерних розрахунках для кремнієвих транзисторів зазвичай приймається 
0,7 В).
Постійний стум емітера визначається формулою:
. (5.3)
Враховуючи, що 
(де 
- статичний коефіцієнт передачі струму транзистора за схемою включення зі СЕ), постійна напруга на ланці колектор-емітері 
визначається формулою:
. (5.4)
Головними параметрами каскадупідсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером в діапазоні частот є:
- коефіцієнт підсилення в області середніх частот 
;
- вхідний опір в області середніх частот 
;
- вихідний опір в області середніх частот 
;
- частота зрізання в області верхніх частот 
;
- частота зрізання в області нижніх частот 
.
Коефіцієнт підсилення в області середніх частот визначається формулою:
. (5.5)
де 
= 
- опір паралельно з’єднаних резисторів 
;- 
- розподілений (об’ємний) опір бази ( паспортний параметр транзистора); 
- диференційний опір переходу база-емітер транзистора за схемою зі СЕ, значення якого визначається формулою:
; (5.6)
- диференційний опір переходу база-емітер транзистора за схемою зі СБ, значення якого визначається формулою:
; (5.7)
В - тепловий потенціал при температурі оточуючого повітря Т=300°К; 
- постійний струм емітера; 
- диференційний коефіцієнт передачі струму транзистора за схемою зі СЕ (паспортний параметр транзистора); 
- паралельне з’єднання резисторів 
; 
- крутизна транзистора, значення якої визначається формулою:
. (5.8)
Якщо вихідний опір джерела вхідної напруги змінного струму 
=0, формула (5.5) спрощується:
= 
. (5.9)
Враховуючи, що зазвичай виконується умова 
, формулу (10.9) можна спростити до виду:
. (5.10)
В формулах (5.5), (5.9), (5.10) знак “-“ враховує той факт, що підсилювач змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі СЕ є інвертуючим.
Коефіцієнт підсилення в області середніх частот в логарифмічних одиниця визначається формулою:
, дБ. (5.11)
Вхідний опір підсилювача в області середніх частот визначається формулою:
= 
. (5.12)
Вихідний опір підсилювача в області середніх частот визначається формулою:
, (5.13)
де 
- вихідна напруга в режимі холостого ходу, тобто вихідна напруга за умови, що 
; 
- вихідний струм в режимі короткого замикання, тобто вихідний струм за умови, що 
.
Частота зрізання в області верхніх частот 
(за умови, що вихідний опір джерела змінної вхідної напруги 
=0) визначається формулою:
, (5.14)
де 
= 
; 
; 
.
Частота зрізання в області нижніх частот 
, зумовлена тільки конденсатором 
, визначається формулою:
, (5.15)
де 
= 
.
Частота зрізання в області нижніх частот 
, зумовлена тільки конденсатором 
, визначається формулою:
, (5.16)
де 
= 
.
Частота зрізання в області нижніх частот 
, зумовлена тільки конденсатором 
, визначається формулою:
, (5.17)
де 
= 
.
Підготовка до лабораторної роботи
5.2.1 Ознайомитися з короткими теоретичними положеннями, що викладені в п.р. 5.1.
Більш детальна інформація наведена в лекціях «Каскад підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою з спільним емітером. Статичний режим», «Аналіз каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером в області середніх, нижніх та верхніх частот».
5.2.2 Розрахувати параметри підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером (рис.5.1) відповідно до вихідних даних, наведених в табл. 5.1.
Таблиця 5.1 – Вихідні дані до схеми рис.5.1
| № | ,
кОм
| ,
кОм
|  ,
кОм
|  ,
кОм
|  ,
кОм
| ,
мкФ
| , мкФ
| ,
мкФ
|  ,
В
|
| 6,3 | 4,7 | 3,9 | |||||||
| 7,1 | 4,9 | 2,1 | 4,3 | 3,1 | |||||
| 7,9 | 5,1 | 2,2 | 4,7 | 3,2 | |||||
| 8,7 | 5,3 | 2,3 | 5,1 | 3,3 | |||||
| 9,5 | 5,5 | 2,4 | 4,7 | 3,4 | |||||
| 5,7 | 2,5 | 4,9 | 3,5 | ||||||
| 5,9 | 2,6 | 5,1 | 3,6 | ||||||
| 6,1 | 2,7 | 5,8 | 3,7 | ||||||
| 6,8 | 2,8 | 6,3 | 3,8 | ||||||
| 7,5 | 2,9 | 6,5 | 3,9 |
Увага !
- номер варіанту відповідає останній цифрі в паролі для доступу до курсу дистанційного навчання «Електронні пристрої інформаційно-вимірювальної техніки», модуль «Аналогові електронні пристрої» або номеру бригади;
- для всіх варіантів транзистор вибирати типу 2N4400фірми National Instrumentsз меню компонентів (NPN Transistor Properties) (рис.5.2);
- параметри транзистора типу 2N4400, які потрібно використовувати при розрахунках, можна отримати з меню компонентів (NPN Transistor Properties→ Edit). Позначення параметрів транзистора в середовищіEWBта їх відповідність параметрам, які використовуються при розрахунку, потрібно вивчити самостійно.
5.2.3 Розрахувати параметри каскаду підсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером:
- значення постійної напруги на базі транзистора - за формулою (5.1);
- значення постійної напруги на емітері 
транзистора - за формулою (5.2);
- значення постійного струму емітера 
транзистора - за формулою (5.3);
- значення постійної напруги на ланці колектор-емітері транзистора розрахувати за формулою (5.4);
- значення коефіцієнту підсилення каскаду в області середніх частот- за формулою (5.5);
- значення коефіцієнту підсилення каскаду в області середніх частот в логарифмічних одиницях- за формулою (5.11);
- значення вхідного опорукаскаду в області середніх частотрозрахувати за формулою (5.12);
- значення вихідного опорукаскаду в області середніх частот- за формулою (5.13);
- значення частоти зрізання в області нижніх частот , яка зумовлена тільки конденсатором - за формулою (5.15);
- значення частоти зрізання в області нижніх частот , яка зумовлена тільки конденсатором - за формулою (5.16);
- значення частоти зрізання в області нижніх частот , яка зумовлена тільки конденсатором - за формулою (5.17).
Увага!
При розрахунку частоти зрізання в області нижніх частот відповідно до варіанту (табл.10.1) потрібно враховувати тільки конденсатор, ємність якого <<10000 мкФ.
5.2.3 Результати розрахунків відповідних параметрів занести до табл. 10.2
Таблиця 5.2 – Значення параметрівсхеми каскадупідсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером
| Значення параметру: | ,
В
| ,
В
| ,
В
| ,
мА
|
| ,
дБ
| ,
кОм
| ,
кОм
|  ,
Гц
|  ,
МГц
|
| за результатами розрахунку | 6,07 | 5,36 | 15,5 | 0,925 | 55,54 | 3,97 | 2,7 | 0,86 | 24,7 | |
| за результатами експериментальних досліджень | 5.984 | 5.359 | 10.13 | 0.924 | 35,27 | 3,97 | 2,7 | 0,86 |
5.2.4 Попередній розрахунок. Вибираемо варіант 7
5.2.4.1 = 
= 5,36 В
5.2.4.2 = 
= 6,07 В
5.2.4.3 
= 
= 0,925 мА
5.2.4.4 
= 
= 15,5 В
5.2.4.5 , де
5.2.4.5.1 = = 
= 4044,2
5.2.4.5.2 = 10 Ом
5.2.4.5.3 =7756 (по суті,це коефіцієнт передачі по струму)
5.2.4.5.4 = 
=28,1 Ом
5.2.4.5.5 
= 
= 0,0355 Ом-1
5.2.4.5.6 = 
= 217 981,8 Ом
5.2.4.5.7 = 
= 1560.1 Ом
5.2.4.5 Враховуючи, що Ri=0 ,формула(5.5) перепишеться у вигляді
= = 
* 
= -55,54
5.2.4.6 = 
= 35 дБ
5.2.4.7 
= 3970,5 Ом =3,97кОм
5.2.4.8 = 2,7 кОм
5.2.4.8 Використаємо формулу (5.17),оскільки R3<<10000 Ф
= 0,866 Гц
5.2.4.9 За допомогою нескладних математичних операцій розрахуємо кожну з формул (5.14)
5.2.4.9.1 . Тут Сбе і Сбк – параметри транзистора; в нашому випадку Сбе = 24 пФ, Сбк = 11 пФ.Отже,
= 
= 6,46*10-10 Ф
5.2.4.9.2 tе=С0*(rб*rбе/( rб + rбе)) = 6,46*10-9 Ф*Ом
5.2.4.9.3 = 
= 24,7 МГц
5.4 Робоче завдання
5.4.1Запустити програму ЕWB за допомогою піктограми 
.
5.4.2 Перед початком моделювання використовуючи вікно Analysis Options задати параметри моделювання, які наведені на рис. 5.3
Рисунок 5.3 – Параметри моделювання
5.4.3 Відповідно до схеми рис.5.1 за допомогою програми ЕWB створити схему для дослідження каскадупідсилювача змінної напруги на біполярному транзисторі за схемою зі спільним емітером (рис.5.2).
5.4.4 Як джерело вхідної напруги для каскаду, що досліджується, використовувати функціональний генератор (Function Generetor), графічне позначення якого та панель управляння наведені на рис. 5.4, в режимі генерації синусоїдної напруги.
Рисунок5.4 – Графічне позначення та панель управляння функціонального
генератора
5.4.5 Встановити параметри синусоїдної напруги такі, як наведено на рис.5.4:
- частота (Frequence) – 1 kHz;
- робочий цикл (Duty cycle) - 50 % ;
- амплітуда (Amplitude) – 0,1 V;
- постійна складова (Offset) – 0.
5.4.6 Для вимірювання вхідної змінної напруги каскаду, що досліджується, паралельно джерелу вхідної напруги включити мультиметр (Multimeter) в режимі вимірювання змінної напруги, графічне позначення та панель управляння якого наведені на рис. 5.5.
Рисунок 5.5 – Графічне позначення та панель управляння мультиметра
5.4.6 Для дослідження параметрів АЧХ каскаду до його вихідних полюсів підключити аналізатор АЧХ та ФЧХ (Bode Ploter), графічне позначення якого та панель управляння наведені на рис.5.6:
Рисунок 5.6 – Графічне позначення та панель управляння аналізатора АЧХ
5.4.7 Для вимірювання параметрів статичного режиму каскаду 
, до бази, колектора та емітера підключити вольтметри для вимірювання напруг , 
, відповідно. Графічне позначення вольтметра, який вибирається з меню Indicator, наведено на рис.5.7.
Рисунок 5.7 – Графічне позначення вольтметра
5.4.8 Для візуального спостереження за формою вихідної напруги каскаду до його вихідних полюсів підключити осцилограф (Oscilloscope), графічне позначення якого та панель управляння наведені на рис. 5.8:
Рисунок 5.8 – Графічне позначення та панель управління осцилографа
5.4.9 У середовищіЕWB створити схему електричну для експериментального дослідження каскаду підсилювача на біполярному транзисторі за схемою зі СЕ. Схемаповинна приблизно виглядати так, як показано на рис. 5.9:
Рисунок 5.9 – Приклад створення схеми для дослідження каскаду
в середовищіЕWB
На створеній схемі повинні бути вказані значення опорів резисторів та ємності конденсаторів.