Лабораторная работа: усилительный каскад с общим эмиттером

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
(ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»)
Институт автоматизации
и робототехники
Кафедра
промышленной электроники
и интеллектуальных
цифровых систем
ОТЧЕТ О ВЫПОЛНЕНИИ
ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Электротехники и электроники»
СТУДЕНТА
3 КУРСА
бакалавриата
ГРУППЫ
МДБ-18-04
(уровень профессионального образования)
Новинский Даниил
НА ТЕМУ
Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим
эмиттером (ОЭ)
Направление:
Профиль подготовки:
Отчет сдан «
»
15.03.05 Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств
Инструментальная техника и технологии формообразования
20
г.
Оценка
Преподаватель
Сергеев Юрий Дмитриевич
(Ф.И.О., должность, степень, звание.)
МОСКВА 2021
(подпись)
ЛАБОРАТОНАЯ РАБОТА 1
Цель работы: Изучение принципа работы и исследование характеристик
усилительного каскада на биполярном транзисторе, включённом по схеме с
общим эмиттером.
Пункт 1
№
R1
R2
R3
R4
Rk
кОм
кОм
Ом
Ом
Ом
18
8,6(
4,3
20
51
200
12.7
)
Таблица 1 (Данные для проведения эксперимента)
Ek
В
18
Рисунок 1. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Пункт 2
Включим схему моделирования для того, чтобы проверить
работоспособность генератора и усилительного каскада по наличию
гармонических входного и выходного сигналов на экране осциллографа XSC1.
Затем рассчитаем напряжение Uкэп. и Uбэп.
Рисунок 2. Схема лабораторного макета усилительного каскада с
замкнутым ключом
Рисунок 3. Экран осциллографа XSC1
Ukp(b)
Ubp(B)
Uep(B) Ukep(B) Ubep(B) Ikp(mA) Ibp(mA) Iep(mA)
7,136
4,628
3,892
3,244
0,736
54
Таблица 2. При R1 = 8,6 кОм
Ukep = Ukp - Uep = 7,136 – 3,892 =
3,244В
Ubep = Ubp - Uep = 4,628 – 3,892=
0,736В
В таблице введены следующие обозначения:
0.479
55
Uкп- напряжение покоя на выводе коллектора,
Uбп-напряжение покоя на выводе базы
Uэп- напряжение покоя на выводе эмиттера,
Uкэп-напряжение покоя между коллектором и эмиттером,
Uбэп- напряжение покоя между базой и эмиттером,
Iкп –ток покоя коллектора,
Iбп- ток покоя базы,
Iэп- ток покоя эмиттера.
По результатам эксперимента построить на выходной характеристике Iк=
F(Uкэ), нагрузочную прямую и определить положение точки покоя П (рис.4).
Rэ = R3 + R4 = 20 +51 =61Ом.
Eк/(Rk+Rэ) =18/(200+61)=0,06 А.
Привожу нагрузочную прямую и определим точку покоя.
Рисунок 4. Линия нагрузки по постоянному току и точка покоя П.
Произведем корректировку режима покоя, изменяя номинальное
напряжение значение резистора R1
Схема с новым значением R1=12,7 кОм
.
Экран осциллографа XSC1 при R1=12,7кОм
Ukp(b) Ubp(B) Uep(B) Ukep(B) Ubep(B) Ikp(mA) Ibp(mA) Iep(mA)
8,695
3,324
2,610
5,371
0,714
37
Таблица 2.При R1 = 20 кОм
Ukep = Ukp - Uep =8,695– 3,324 =5,371
В
Ubep = Ubp - Uep = 3,324 – 2,610=0,714
В
Rэ = R3 + R4 = 20 +51 =61Ом.
Eк/(Rk+Rэ) =18/(200+61)=0,06 А.
0,225
37
Привожу нагрузочную прямую и определим точку покоя.
Определение характеристик усилительного каскада
Пункт 3
Определим коэффициент усиления каскада по показаниям
мультиметров XMM1 и XMM2 при R1=12,7кОм:
Рисунок 7.
KU = UВЫХ/UВХ = 643,172/ 70,711
= 9,09
Kd=20log10(Uвых/Uвх)=19,171дБ
Пункт 4
Построим амплитудную характеристику Uвыхm =f(Uвхm ). Для этого,
изменяя амплитуду входного напряжения в генераторе XFG1 и определяя
амплитуду выходного напряжения по осциллографу XSC1, заполним таблицу:
UВХ.,мВ
UВЫХ.,В
100
0,925
200
1,858
400
3,737
600
800 1000
5,612 6,491 6,152
Таблица 3.
Рисунок 9. График амплитудной характеристики усилителя.
Максимально возможная амплитуда неискаженного выходного сигнала
UВЫХ.МАХ = 6,491 В.
Пункт 5
Построим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику
(ЛАЧХ) L[дБ]=F(f)
Рисунок 10. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) L[дБ]=F(f)
при замкнутом ключе
По ЛАЧХ мы определяем граничные частоты fн и fк, которыми
ограничен диапазон частот для усиливаемых сигналов:
LU = 19.358 дБ
LU [дБ] = LU.МАХ [дБ]- 3 дБ = 19.358 – 3 = 16,358 дБ
Рисунок 11. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) L[дБ]=F(f)
при замкнутом ключе
fк = 7,614 МГц
Рисунок 12. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика
(ЛАЧХ) L[дБ]=F(f) при замкнутом ключе
fн = 202,387 Гц
Пункт 6
Включим схему моделирования при амплитуде входного сигнала
Uвхm =100 мВ и разомкнутом ключе J1. Рассчитаем коэффициент усиления
каскада по напряжению. При помощи Bode Plotter XBP1 получим ЛАЧХ
усилительного каскада, определим полосу пропускания.
Рисунок 13. Схема лабораторного макета усилительного каскада с разомкнутым ключом
Показания мультиметров XMM1 и XMM2:
Рисунок 14. Экраны мультиметров XMM1 и XMM2 (при разомкнутом ключе)
K`U = UВЫХ/UВХ = 193,539/70,71 = 2,73
Сравнение коэффициентов усиления каскада с замкнутым ключом и
разомкнутым:
Ku/K`u=9,09/2,73=3,32
Напряжение на выходе заметно снизилось из-за размыкания ключа, поэтому
резистор R4, подключенный параллельно с конденсатором С3 стал
единственным проводником (следовательно, сопротивление на выходе
эмиттера возросло).
Построим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику
(ЛАЧХ) L[дБ]=F(f)
Рисунок 15. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) L[дБ]=F(f)
при разомкнутом ключе
LU’ = 8,745 дБ.
LU [дБ] = LU.МАХ [дБ] - 3 дБ = 8,745 – 3 = 5,745 дБ.
Рисунок 16. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) L[дБ]=F(f)
при разомкнутом ключе
fк ’ = 7.614 МГц
Рисунок 17. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) L[дБ]=F(f)
при разомкнутом ключе
fн’ = 12.107 Гц
Вывод: транзистор усиливает сигналы в определенном диапазоне частот f н и
fк, который характеризуется коэффициентом усиления каскада.
Ёмкость разделительных конденсаторов определяют ЛАЧХ на
низких
частотах, т.к. сопротивление конденсатора максимально в области низких
частот; при работе каскада на низких частотах увеличивается падение
напряжения
сигнала
на емкости разделительного конденсатора и,
следовательно, снижается выходное напряжение каскада.
При выполнении данной лабораторной работы мы изучили, как искажается
сигнал на выходе при увеличении сигнала на входе, а также узнали способ
вычисления максимального коэффициента усиления Кu.
Контрольные вопросы:
1) Укажите основные элементы транзисторного
эмиттером.
каскада с общим
Источник питания Ek и управляемый элемент - транзистор Т и резистор Rк.
2) Поясните назначение делителя напряжения R1-R2.
Они используются для установления режима покоя каскада. Из-за того, что
биполярным транзистором управляют током, ток для покоя этого элемента
получается заданием необходимой величины тока базы покоя.
3) Поясните цель расчета каскада по постоянному току и определения
режима покоя.
Для получения в нагрузке необходимых параметров выходного сигнала
производится расчет каскада по постоянному току и решает задачу выбора
элементов схемы.
4) Укажите основные характеристики усилителя.
Основными характеристиками каскада усилителя являются коэффициенты
усиления по току KI, мощности KP и напряжению KU, а также сопротивления
входное Rвх и выходное Rвых, которые определяются в расчете переменного
тока.