Работа № 2. ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Стр 1 из 3Следующая ⇒

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ТГТУ»)

Кафедра ЭВМ

К.Т.Гевондян, С.Р.Иванов, А.Л.Семенилкина

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ АНАЛОГОВЫХ

И КЛЮЧЕВЫХ СХЕМ

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Электроника и микроэлектроника»

Тверь, 2005

Оглавление

Работа № 1. ДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ.. 3

Работа № 2. ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА.. 9

Работа № 4. УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР В ШИРОКОПОЛОСНОМ УСИЛИТЕЛЬНОМ КАСКАДЕ С RC-СВЯЗЯМИ.. 21

Работа № 10. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ ТИПА ОУ.. 57

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Отчёты по проведённым лабораторным работам должны включать:

1. Наименование работы.

2. Чертёж принципиальной схемы макета лабораторной работы.

3. Для каждого этапа выполняемой работы – наименование этапа и результаты (в форме таблиц, графиков, зарисовок осциллограмм).

4. Краткие выводы по работе в целом.

Работа № 1. ДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ

Цель работы — исследование характеристик и параметров выпрямительных схем и стабилизаторов напряжения. Продолжительность работы — 3,5 часа.

Теоретическая часть

Электронные приборы и устройства требуют для своего питания стабильного напряжения постоянного тока. В большинстве практических случаев такое напряжение получают из переменного напряжения сети с помощью вторичных источников питания, включающих выпрямители напряжения, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения (рис. 1).

Рис. 1.Структурная схема вторичного источника питания

В составе выпрямителя обычно входят: силовой трансформатор, предназначенный для получения необходимых величин переменного напряжения из напряжения сети, а также для гальванической развязки с сетью; вентильная группа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующая напряжение переменного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока, и емкостная нагрузка вентильной группы, представляющая собой конденсатор относительно большой емкости, который можно также рассматривать как простой емкостный сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя, уменьшает пульсации выходного напряжения. В качестве элементов сглаживающих фильтров применяют конденсаторы, индуктивные катушки и их сочетания: Г-образные (LC) и П-образные (CLC).

Если к выходному напряжению предъявляется высокие требования по стабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то в источник питания вводится стабилизатор напряжения.

На рис. 2а представлена схема однополупериодного выпрямителя с полупроводниковым выпрямительным диодом V. Как известно, вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода имеет вид, представленный на рис. 3. Для упрощения практических расчетов ее часто представляют на основе кусочно-линейной аппроксимации двумя участками прямых AB и BC, причем

AB идет по оси абсцисс, а наклон BC определяется средним, прямым сопротивлением диода

С целью дальнейшего упрощения иногда принимают и тогда точка B смещается в начало координат. Как следует из такой аппроксимации ВАХ, диод представляют элементом с односторонней проводимостью, его внутреннее сопротивление на участке BA стремится к бесконечности, а на участке BC сравнительно мало.

На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе, работающем на емкостную нагрузку. В интервале времени t₂–t₁, соответствующем изменению фазового угла ωt₂–ωt₁, диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда конденсатора C. Постоянная времени заряда τ_зар= C(R_н||R_пот), где сопротивление потерь R_пот = R_пр.ср+R_тр (R_тр — активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда R_пот ≤ R_н и τ_зар≈ CR_пот. В остальную часть периода диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается.

τ_разр≈ C(R_н||(R_обр+R_тр)).

Поскольку у правильно выбираемых диодов их обратное сопротивление R_обр >> R_тр+R_н, постоянная времени разряда τ_разр≈ CR_н и τ_зар<< τ_разр, т.е. процессы заряда и разряда конденсатора C идут с разной скоростью. Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения U_с, на диоде обратное напряжение может достигать величины U_{обр.макс} = 2U_2m. Фазовый угол, в течение которого диод открыт, обозначается

2Θ = ωt₂– ωt₁, где Θ – угол отсечки. Чем меньше Θ, тем больше U₀ и меньше пульсации. Поэтому Θ желательно уменьшать.

Эффективность работы любого сглаживающего фильтра определяют

коэффициентом пульсаций, равным отношению напряжения первой гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U₀.

Выходное сопротивление,

где ΔU₀и ΔJ₀ находят по нагрузочной характеристике источника U₀= f(J₀); U₀ и J₀ — напряжения и ток нагрузки.

На рис. 2б приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя. Ее особенностью является то, что за период через диоды протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диоды V2 и V3 (пунктирные стрелки), в другом — через диоды V1 и V4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в два раза U_{обр.макс} > U2m по сравнению с однополупериодной схемой. Ещё одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекает в противоположных направлениях.

Для уменьшения пульсаций выходного напряжения между выпрямителем и нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе

Например, простой LC–фильтр, представляющий собой последовательно с нагрузкой включенный дроссель и параллельно с нагрузкой включенный конденсатор, существенно уменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей U₀ сопротивление дросселя близко к 0, а конденсатора — к бесконечности, для пульсирующей — наоборот, поэтому постоянная составляющая проходит через фильтр практически без изменений, а пульсирующая существенно уменьшается.

Использование электронного стабилизатора позволяет значительно уменьшить K_п , R_вых, а также зависимость U₀ от колебаний напряжения сети и тока нагрузки. Качество стабилизации оценивается коэффициентом стабилизации при постоянном токе нагрузки

где ΔU_вых — приращение U₀ при изменении U_вх на величину ΔU_вх; U_вх.ном, U_{вых.ном} — номинальные значения напряжений.

Простейшим электронным стабилизатором является параметрический стабилизатор (рис. 5а), состоящий из балластного сопротивления R_б и стабилитрона. Он устанавливается а источнике питания между нагрузкой и выпрямителем со сглаживающим фильтром, если таковой имеется. В этой схеме используется свойство обратно смещенного стабилитрона сохранять напряжение в области пробоя практически неизменным при значительных изменениях протекающего через него тока (рис. 5б, обратная ветвь ВАХ стабилитрона в области U_ст). При отклонении U_вх от номинального значения почти все приращение входного напряжения падает на R_б, а выходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузки J₂ (U_вх — const) происходит перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой (изменяется J_ст) почти без изменения общего тока J₁ . Следовательно, напряжение на нагрузке остается практически постоянным. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется по формуле

где r_д – динамическое сопротивление стабилитрона.

Выходное сопротивление стабилизатора R_вых = R_б||r_д ≈ r_д, так какr_д<<R_б.

Описание макета

Макет, схема которого представлена на рис. 6, включает:

- выпрямитель, который в зависимости от положения переключателя В5,6 может работать по однополупериодной или мостовой схеме;

- LC-фильтр (L1, C2);

- параметрический стабилизатор (R2, V6);

- контрольно-измерительные приборы (I1, V2);

- дискретно изменяющуюся нагрузку (R3, R4, R5, R6);

- емкостную нагрузку (C1).

Задание

1. Исследовать работу однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямителя:

а) зарисовать с осциллографа временные диаграммы напряжений на входе и выходе выпрямителей для активной (R6) и емкостной (C1, R6) нагрузок;

б) снять нагрузочные )внешние) характеристики выпрямителей U₀ = f(I₀) с активной и емкостной нагрузками, построить графики в одной системе координат (U₀, I₀, показания прибора на стенде V₁, I₁).

2. Определить коэффициент пульсаций для одно- и двухполупериодной схем (все фильтры отключены; напряжение первой гармоники , где U – действующее значение напряжения, измеренное по выносному милливольтметру; U₀ – постоянное напряжение – значения прибора V1 на стенде).

3. Исследовать сглаживающее действие фильтров C1, LC2, C1LC2 при двухполупериодном выпрямлении для минимального тока нагрузки (R_H = R₃= 4 кОм) и максимального тока (R_H = R₆= 1 кОм). Эффективность работы фильтров оценить коэффициентами пульсаций К_Пвых и сглаживания К_СГЛ.

4. Исследовать работу параметрического стабилизатора (мостовая схема выпрямителя, фильтр С1):

а) снять нагрузочную характеристику U₀ = f(I₀) при U_вх = const и построить график;

б) снять зависимость U₀ = f(U_вх) при I_o = const и рассчитать коэффициент стабилизации К_ст (U_вх — напряжение вторичной обмотки трансформатора (7.5 ¸ 14) В, имитирующее колебания напряжения сети.

Контрольные вопросы

1. Как работают однополупериодный и двухполупериодный мостовой выпрямители?

2. Каковы основные параметры выпрямителей?

3. На чем основана работа С-фильтра и что такое коэффициент сглаживания?

4. Как определяется коэффициент стабилизации стабилизатора?

5. Что такое угол отсечки и как его измерить?

6. Что такое нагрузочная характеристика, как она снимается и какие параметры можно по ней определить?

7. Объясните работу параметрического стабилизатора.

8. В чем отличие работы диода в однополупериодной и двухполупериодной мостовой схемах?

9. Чему равен угол отсечки при коротком замыкании нагрузки и при холостом ходе?

Литература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.: Высшая школа, 2004. — С. 724-726, 731-732, 738-740, 751-756, 760-763.

2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Горячая Линия–Телеком, 2000. — С. 460-470, 477-486.

3. Электротехника и электроника. Книга 3. Электрические измерения и основы электроники. / Под ред. В.Г.Герасимова. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — С. 198-206, 211-222.

Работа № 2. ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Цель работы — изучить, как влияют различные способы включения однополярного транзистора и величина сопротивления нагрузки на свойства усилительного каскада. Продолжительность работы — 3,5 часа.

Теоретическая часть

В транзисторных схемах источник сигнала может включаться в цепь базы или эмиттера, нагрузка — в цепь коллектора или эмиттера, а третий электрод транзистора оказывается общим для входной и выходной цепи. В зависимости от того, какой электрод транзистора оказывается общим, различают схемы ОЭ (с общим эмиттером), ОБ (с общей базой) и ОК (с общим коллектором), показанные на рис. 7.

В этих схемах конденсаторы С1 и С2 служат для связи каскада с источником сигнала и нагрузкой на переменном токе и исключают в то же время влияние источника сигнала и нагрузки на режим работы каскада по постоянному току. Резисторы R₁, R₂, R_k и R_э обеспечивают выбранный режим работы транзистора в активной области, т.е. выбранное положение рабочей точки на вольтамперных характеристиках транзистора. Конденсатор С3 выполняет роль блокировочного конденсатора, исключая из работы на переменном токе резистор R_э (каскад ОЭ) или делитель напряжения в цепи базы R₁, R₂ (каскад ОБ), и тем самым обеспечивает присоединение эмиттера (базы) к общей точке схемы.

Для анализа транзисторных схем важно знать, как связаны электродные токи и напряжения между выводами транзистора, т.е. знать вольтамперные характеристики.

При анализе каскада ОЭ удобно пользоваться зависимостями

и .

Первые из них называются семейством входных, а вторые — семейством выходных характеристик. Их типичный вид приведен на рис. 3. Здесь же приведена построенная нагрузочная прямая по постоянному току и выбранная на ней рабочая точка транзистора A с координатами которая отображена также на семействе входных характеристик и имеет координаты . Для построенной нагрузочной прямой (рис. 8а) транзистор будет работать в активном режиме при токах базы в диапазоне .

В усилительных схемах транзистор работает в активном режиме, когда эмиттерный переход смещен прямо (для p-n-p-транзистора ), а коллекторный — обратно ( ). При этом транзистор обладает усилительными свойствами и токи его электродов связаны между собой через статические коэффициенты передачи по току транзистора и

откуда следует, что

I_бн

Для оценки параметров усилителя его принципиальную схему преобразуют в эквивалентную, в которой транзистор замещается своей малосигнальной эквивалентной схемой рис. 9.

Нас интересуют формулы для и в диапазоне средних частот. На этих частотах можно не учитывать частотную зависимость коэффициента передачи по току и емкость (она отбрасывается). Ёмкости конденсаторов , и выбирают настолько большими, чтобы на средних частотах их сопротивление было пренебрежимо малым по сравнению с суммарным сопротивлением окружающих их резисторов. Поэтому в эквивалентной схеме на рис. 10 они представлены короткозамкнутыми ветвями. То же относится и к источнику питания , так как схема на рис. 10 справедлива только для переменных составляющих токов и напряжений. С учетом сказанного резисторы и , так же как и резисторы и ( — нагрузка, подключаемая к выходным клеммам усилителя), оказываются соединенными параллельно. Поэтому в эквивалентной схеме фигурируют и . Аналогично можно получить эквивалентные схемы для каскадов ОБ и ОК. Применяя к эквивалентным схемам каскадов известные методы анализа электрических цепей (например, метод контурных токов), можно получить приближенные формулы для оценки основных параметров усилительных каскадов, представленные в таблице. В этих формулах где а — внутреннее сопротивление источника сигнала. Для всех схем .

	Схема включения транзистора
	ОЭ	ОБ	ОК



	~	~
G

Верхняя граничная частота полосы пропускания (на этой частоте в раз меньше, чем на средней частоте) транзисторного каскада зависит от параметров транзистора , нагрузки , внутреннего сопротивления источника сигнала и схемы включения транзистора. Для любого усилительного каскада , где . В последней формуле , а коэффициент для каждой схемы включения транзистора вычисляют по формулам таблицы.

Описание макета

Исследуемая в работе схема представлена на рис. 11. С помощью переключателей, расположенных на передней панели лабораторной установки, можно путем соответствующей коммутации эмиттерной, базовой и коллекторной цепей транзистора собрать любой из трех усилительных каскадов (ОЭ, ОБ или ОК).

Для оценки входного тока усилителя служат измерительные резисторы и . При этом ,

где – напряжение на клеммах генератора, – напряжение на входе усилителя (за измерительным резистором).

При оценке выходного сопротивления усилителя будем считать, что холостой ход на выходе усилителя возникает, если установить , а режим короткого замыкания – при , так как других возможностей данная лабораторная установка не предоставляет.

Питание усилительного каскада осуществляется от источника G1, напряжение на выходе которого устанавливают 10 В. В исследуемой схеме стоит маломощный низкочастотный транзистор МП42А (f_h_21б = 1¸3 МГц, В = 30¸50, r_б = 200 Ом, Cк = 30 пФ, P_kmax = 200 мВт). Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы: R1 = 1 кОм; R2 = 11 кОм; R3 = 5,1 кОм; R4 = R5 = R9 = 3,6 кОм; R6 = 470 Ом; R7 = 20 Ом; R8 = 510 Ом; R10 = 10 кОм; С1 = С2 = СЗ = 20,0 мкФ.

Задание

Подготовить к работе генератор стандартных сигналов (ГСС) и милливольтметр переменного тока с большим входным сопротивлением. Ознакомившись с назначением органов управления лабораторной установки и присоединив к ней измерительные приборы, подключить установку к сети переменного тока.

1. Подавая на вход схемы синусоидальный сигнал с частотой f_C = 2 кГц (средняя частота для усилителя) и напряжением U_Г = 35 мВ, для каждого из усилительных каскадов ОЭ, ОБ, ОК провести экспериментальную оценку малосигнальных параметров каскада R _в_х, K_i, K_U, K_P, R_вых, при различных сопротивлениях нагрузки R_н.

R_н	U_вх (KT2)	U_вых (KT7)	K_U	K_i	K_P	R _в_х	R_вых
10 кОм (R₁₀)
3,6 кОм (R₉)
510 Ом (R₈)
20 Ом (R₇)

Построить зависимости параметров усилителя от R_н.

2. Экспериментально определить нижнюю и верхнюю граничные частоты для каждого из каскадов ОЭ, ОБ и ОК при R_н= R₁₀ (10 кОм).

Напряжение на выходе ГСС поддерживать неизменным на всех частотах и равным 35 мВ. Значения частот f_нгр и f_вгр фиксировать в те моменты, при которых U_вых уменьшается до 0.7U_вых0 на средней частоте f₀=2кГц.

3. Экспериментально определить максимальное значение U_вх , при котором отсутствуют нелинейные искажения U_вых, наблюдаемые на осциллографе. Частота входного сигнала поддерживается постоянной и равной 2кГц.

4. Используя формулы таблицы, оценить те же параметры усилителя и вычислить относительное расхождение между экспериментальными и аналитическими результатами.

5. Пользуясь экспериментальными данными определить, какой каскад и при каких R_н обладает наибольшим усилением по мощности. Объясните почему?

6. Дать заключение, как соотносятся между собой у различных каскадов Ku, K_i, R_вх, R_вых. Объясните полученные результаты.

7. Рассчитать f_в для каждого каскада и сопоставить расчетные и экспериментально полученные значения между собой.

Контрольные вопросы

1. Какова малосигнальная эквивалентная схема транзистора, транзисторных каскадов ОЭ, ОБ, ОК?

2. Чем отличаются между собой усилительные каскады ОЭ, ОБ,ОК (схемные различия, различия в параметрах и характеристиках)?.

3. Как измерить входное и выходное сопротивления усилителя, усиление по напряжению, току, мощности?

4. Объясните, почему возникают искажения в транзисторных каскадах? Какова природа возникающих искажений?

5. Дайте определение граничной частоты усилителя.

Литература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.: Высшая школа, 2004. — С. 265-278, 295-314.

2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Горячая Линия–Телеком, 2000. — С. 183-189, 195-200, 217-219

3. Электротехника и электроника. Книга 3. Электрические измерения и основы электроники. / Под ред. В.Г.Герасимова. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — С. 119-137.

Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 64; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!