Лабораторная работа №3 Исследование каскада предварительного усиления на полевом транзисторе

1.ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАБОТЕ

1. Цель работы: приобретение навыков работы в программе Electronics Workbench и научиться с помощью неё исследовать каскад предварительного усиления на полевом транзисторе.

Теоритический материал.

- большее входное сопротивление, что упрощает его согласование с высокоомным источником сигнала;

- как правило, меньший коэффициент шума, что делает его более предпочтительным при усиления слабых сигналов;

- большая собственная температурная стабильность режимов покоя.

Вместе с тем каскады на полевых транзисторах обычно обеспечивают получение меньшего коэффициента усиления по напряжению.

Из-за схожести выходных ВАХ графический анализ работы усилительного каскада на полевом транзисторе идентичен рассмотренным ранее случаям усилителя на биполярном транзисторе. По этой же причине, как уже отмечалось, схожи и используемые схемотехнические решения.

В полевом транзисторе с управляющим переходом полярности напряжений, приложенные к его стоку и затвору, должны быть противоположными. Поэтому для задания режима по постоянному току на практике широко используется введение в каскад последовательной ООС по току нагрузки. Схема такого каскада приведена на рис. 1, а.

Ее особенностью, кроме резистора является подключение параллельно входным выводам каскада дополнительного резистора R_см. Этот резистор обеспечивает гальваническую связь затвора с общей шиной, что необходимо для замыкания цепи смещения. Кроме этого он стабилизирует входное сопротивление каскада. Сопротивление резистора R_см выбирается меньше собственного входного сопротивления транзистора (обычно R_см<1МОм).

Следует отметить, что так как собственный входной ток полевого транзистора стремится к нулю, то падение напряжения на R_см от протекания тока смещения также стремится к нулю и напряжение смещения практически равно падению напряжения на .

Рис. 1. Задание режим покоя в усилительном каскаде на полевом транзисторе с управляющим р-п-переходом

В рассматриваемой схеме резистор выполняет двойную роль. Во-первых, он обеспечивает начальное смещение рабочей точки каскада и, во-вторых, вводит в него последовательную ООС по току нагрузки, что приводит к уменьшению усиления каскада и стабилизирует его рабочую точку.

Вопрос стабилизации положения рабочей точки каскада заслуживает особого рассмотрения. При изменении температуры окружающей среды на ток стока покоя действуют два противоположных фактора: увеличение сопротивления полупроводникового материала, что снижает величину , и уменьшение толщины р-п-перехода, что увеличивает значение . В результате действия этих двух противоположных факторов на передаточной характеристике транзистора можно найти точку, в которой ток стока не зависит от температуры окружающей среды. Если напряжение U_см выбрать так, чтобы транзистор работал этой точке, то температурная стабилизация каскада не требуется. К сожалению, такой выбор с точки зрения требований к каскаду не всегда возможен и полевой транзистор работает, как правило, при больших токах стока.

Для современных приборов температурный дрейф тока стока составляет порядка 0,6 %/°С. К тому же он отрицателен, что исключает в каскадах положительную ОС по температуре, свойственную биполярным транзисторам. Поэтому при работе в малых диапазонах изменения температуры окружающей среды можно вполне обойтись без цепей термостабилизации.

Основные параметры каскада усилителя на полевом транзисторе

Для определения основных параметров каскада обратимся к его схеме замещения, приведенной на рис. 2, а. Данная схема не учитывает частотных свойств каскада и справедлива для области низких и средних частот, где, влиянием собственных емкостей транзистора можно пренебречь.

Определим коэффициент усиления каскада по напряжению. Согласно приведенной схеме замещения для тока стока можно записать следующее выражение:

,

где дифференциальное выходное сопротивление транзистора.

Для расчета можно воспользоваться выражением:

,

Рис. 2. Схема замещения каскада по постоянному (а) и переменному (б) току.

где - дифференциальное сопротивление для тока .

В этом случае для выходного напряжения каскада можно записать выражение:

.

Учитывая, что каскад является инвертирующим, т. е. Увеличение тока стока приводит к уменьшению выходного напряжения, для модуля коэффициента усиления каскада можно записать:

.

(1)

Обычно в каскадах выполняется условие , тогда (2.3.28) принимает более простой вид:

. (2)

Используя приведенные выше допущения, для входного и выходного сопротивлений каскада можно записать следующие выражения:

, (3)

. (4)

Задание смещения рабочей точки путем введения резистора уменьшает коэффициент усиления каскада. По аналогии со схемой на биполярном транзисторе, для коэффициента передачи цепи ООС можно записать:

.

Тогда, используя основное выражение для усилителя с цепью ООС, получим:

. (5)

Из выражения (5) следует, что глубина отрицательной обратной связи в каскаде равна , поэтому абсолютные температурные изменения тока покоя каскада с цепью ООС и без нее связаны соотношением:

.

При расчете каскада требуемое сопротивление R_и легко найти по заданному току . Для этого по передаточной характеристике транзистора (рис.3), задавшись , находят требуемое напряжение . Так как ток затвора практически равен нулю, то падение напряжения на резисторе R_см отсутствует и требуемое сопротивление R_и можно найти из выражения:

.

Можно использовать и графическое решение. Для этого через точку передаточной характеристики, соответствующую значению , и начало координат проводят прямую линию. Угол наклона этой мой и определяет требуемое сопротивление (рис. 3):

Рис. 3. Графическое определение сопротивления резистора.

. (6)

Для получения максимального значения выходной переменной ток желательно выбирать близким к половине максимального тока стока . При этом сопротивление , рассчитанное из этого условия, может оказаться меньше рассчитанного, например, из условия требуемой стабильности параметров каскада или заданных искажений. В этом случае для реализации требуемого режима работы можно использовать введение дополнительного делителя напряжения, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Усилительный каскад на полевом транзисторе с комбинированной цепью задания режима покоя.

Частотные свойства каскада полностью определяются собственными свойствами прибора. При этом основную роль в их формировании играет входная емкость транзистора С_вх. В этом случае схема замещения входной цепи каскада, имеет вид, показанный на рис. 1, б.

С учетом найденного выше коэффициента усиления передаточная функция всего каскада будет иметь вид:

, (7)

где - коэффициент передачи входного делителя по постоянному току; - постоянная времени входной цепи; - эквивалентная входная емкость транзистора.

Введение резистора снижает коэффициент усиления каскада. Если каскад предназначен для усиления напряжения только переменного тока, это уменьшение усиления можно скомпенсировать выполнением цепи ООС частотнозависимой. Для этого (как и в случае каскада на биполярном транзисторе) резистор необходимо шунтировать дополнительным конденсатором, как показано штриховой линией на рис. 2.

Емкость этого конденсатора при заданно минимальной частоте входного сигнала может быть рассчитана из условия .

Все сказанное остается справедливым и при построении каскада с использованием МДП-транзистора со встроенным каналом. В этом случае могут быть только количественные отличия, обусловленные тем, что передаточная характеристика транзистора имеет продолжение в первом квадранте. При этом могут измениться доли напряжений смещения, создаваемые резистором R_и и делителем на резисторах и (рис. 3).

2.ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

2.1 Изучить теоретический материал

Задания для выполнения лабораторной работы:

1. Снять амплитудную характеристику с ООС по переменной составляющей и без обратной связи по переменой составляющей. Рассчитать по полученным данным : коэффициент усиления с ООС, коэффициент передачи обратной связи.

2. Снять АЧХ с ООС по переменной составляющей и без обратной связи.

а) Рассчитать коэффициент усиления с ООС и без ООС и рассчитать коэффициент передачи. Сравнить полученные результаты с пунктом №1

б) По полученным данным определить полосу пропускания с ООС и без ООС.

2.2 Порядок выполнения работы

2.2.1 Запустите программу Electronics Workbench и откройте из неё файл:POLEWOI.ewb

2.2.2 Ставим переключатель 3 в положение конденсатор включен, т.е. без ООС.

2.2.3 На Function Generator выставляем входное напряжение 0.1мВ при фиксированной частоте равной 10кГц, запустив моделирование путем нажатия выключателя в правом верхнем углу снимите показания с вольтметра на выходе. Повторите измерения для различных входных напряжений, найдите максимум напряжений. Данные занесите в таблицу, постройте график амплитудной характеристики.

2.2.4 Ставим переключатель 3 в положение конденсатор отключен, т.е. с ООС.

2.2.5 На Function Generator выставляем входное напряжение 0.1мВ при фиксированной частоте равной 10кГц, запустив моделирование путем нажатия выключателя в правом верхнем углу снимите показания с вольтметра на выходе. Повторите измерения для различных входных напряжений, найдите максимум напряжений. Данные занесите в таблицу, постройте график амплитудной характеристики.

2.2.6 Найдите среднее значение U_{вх const} лежащие между максимальным и минимальным входным напряжением для ООС и без ООС.

2.2.7 По полученным данным в пунктах 3 и 5 рассчитайте коэффициент усиления с ООС

K_ooc= U_выхООС/U_{вх const}

и коэффициент усиления без ООС

K= U_вых/U_{вх const}

2.2.8 Рассчитайте коэффициент передачи ОС.

2.2.9 Перевести переключатель 3 в положение конденсатор включен, т.е. без ООС

2.2.10 В Function Generator ставим входное напряжения равное U_{вх const}

2.2.11 Запускаем в Workbench Bode Plotter на построенном графике находим значение частоты 10кГц и соответствующее ей выходное напряжение (U_вых при f=10кГц), находим частоты f_н и f_в по уровню -3дБ(0.707) от U_вых при f=10кГц, находим некоторое значение промежуточных точек. Данные заносим в таблицу. Рассчитайте полосу пропускания по формуле F= f_в - f_н . Рассчитайте коэффициент усиления и коэффициент передачи, сравнить с пунктом 7.

2.2.12 Перевести переключатель 3 в положение конденсатор отключен, т.е. с ООС.

2.2.13 Запускаем в Workbench Bode Plotter на построенном графике находим значение частоты 10кГц и соответствующее ей выходное напряжение (U_вых при f=10кГц), находим частоты f_н и f_в по уровню -3дБ(0.707) от U_вых при f=10кГц, находим некоторое значение промежуточных точек. Данные заносим в таблицу. Рассчитайте полосу пропускания по формуле F= f_в - f_н .Рассчитайте коэффициент усиления и коэффициент передачи, сравнить с пунктом 7.

2.2.14 Сделать вывод о проделанной работе.

3.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

3.1 Цель работы.

3.2 Схемы ПТ без обратной связи, p-n ПТс обратной связи.

3.3 Расчеты в соответствии с вариантом домашнего задания.

3.4 Результаты измерений представленные в виде таблиц и графиков.

3.5 Вывод по работе.