Эксперимент 2. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью делителя напряжения

По лабораторной работе № 9

«Исследование рабочей точки транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером»

студента гр.__________________

__________________________________

«___»_____________20___г.

1. Цель лабораторной работы

Целью лабораторной работы является закрепление теоретических знаний об особенностях задания режима работы усилительного каскада путем экспериментального исследования с помощью измерительных средств виртуальной электронной лаборатории на персональном компьютере на базе программы Elecrtronics Workbench.

2. Задачи лабораторной работы

К задачам лабораторной работы относятся:

1. Построение нагрузочной линии транзисторного каскада.

2. Задание рабочей точки транзисторного каскада

3. Исследование параметров рабочей точки транзистора.

4. Исследование условий для перевода транзистора в режим насыщения и отсечки.

5. Определение статического коэффициента передачи транзистора по экспериментальным данным.

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью одного резистора

Измеренные значения:

1. Ток базы I_б= 20,04 мкА

2. Ток коллектора I_к = 3,980 мА

3. Напряжение база – эмиттер U_б-э = 758,3 мА

4. Напряжение коллектор – эмиттер U_к-э = 12,04 V

Расчитанные значения:

Коэффициент усиления по току базы β = I_к /I_б=198 мА
Ток базы I_б= Е_к / R_б=20,83 мкА
Ток коллектора I_к = β I_б=3,967 мА
Напряжение база – эмиттер U_б-э = 760,2 мА
Напряжение коллектор – эмиттер U_к-э = Е_к - I_кR_к= 12,05 V

Построение ветви выходной характеристика транзистора 2N3904

Е_к, В
U_к-э, В	-0,0000000025	0,998	1,996	4,990	9,98	14,97	19,96
I_к, мA		0,000998	0,001996	0,004990	0,00998	0,01497	0,01996

Рабочая точка = 5 В.

Сопротивление базы насыщения по формуле

· R_бн = β R_к= 0,396 Ом

· I_k=19,96 мА,

· при Rбн/2=0,198 Ом I_k = 19.96 мА.

· при Rбн/3=0,099 Ом I_k = 19.96 мА.

Эксперимент 2. Исследование параметров рабочей точки при задании тока базы с помощью делителя напряжения.

Измеренные значения:

1. Ток базы I_б= 18,88 мА

2. Ток коллектора I_к = 3,828 мкА

3. Ток эмиттера I_э = 3,847 мкА

4. Напряжение база U_б = 3,296 В

5. Напряжение коллектор – эмиттер U_к-э = 9,806 В

Расчитанные значения:

1. Коэффициент усиления по току базы β = I_к /I_б= 203,6

2. Ток эмиттера I_э= (U_R2 – U_б-э0) / R_э = 3,9 мкА

3. Ток базы I_б= I_э / (1 + β) = 18 мкА

4. Ток коллектора I_к = β I_б = 3,8 мкА

5. Напряжение база – эмиттер U_б = Е_к R₂/(R₁+ R₂) = 3,3 В

6. Напряжение коллектор – эмиттер U_к-э = Е_к – I_эR_э – I_кR_к = 10 В

Определение рабочей точки каскада.

Е_к, В
U_к-э, В	0,99730	1,995	4,405	6,297	8,064	9,806	11,54
I_к, мA	0,000000997	0,000001995	0,0002233	0,00139	0,002604	0,003828	0,005

Построим нагрузочную линию:

U=0; I=0.01;

I=0; U=20;

1. Как определяется положение рабочей точки по постоянному току?

2. Почему необходимо стабилизировать положение рабочей точки?

3. Где находится рабочая точка в режиме усиления? Искажается ли входной сигнал при таком положении рабочей точки?

4. Где находится рабочая точка в режиме насыщения? Искажается ли входной сигнал при таком положении рабочей точки?

5. Чему равно напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения?

6. Какая связь между током коллектора и током эмиттера?

7. Какую роль играет сопротивление Rэ в цепи эмиттера для стабильности работы схемы? В чем она заключается?

Как определяется положение рабочей точки по постоянному току?

В схеме рис. 5 имеется лишь один нелинейный элемент— транзистор; связь токов и напряжений в транзисторе представлена его ВАХ (см. рис. 1), в частности его выходными характеристиками

I_к = f(и _кэ)при I_Б = const. (1)

При графическом анализе линейная часть схемы описывается уравнением в тех же координатах (i_к, и _кэ).

Рассмотрим режим покоя. Допустим, что в цепь нагрузки включен источник компенсирующего напряжения U_комп = U_{КЭ п}. Тогда в режиме покоя ток в нагрузочную цепь (R_н, U_комп) не ответвляется и уравнение линейной части схемы записывается в виде

i_к = (Е_к - и _кэп)/R_к (2)

Решаем систему уравнений (1), (2) графически, для этого через семейство выходных характеристик транзистора (рис. 7) проводим линию нагрузки по постоянному току, описываемую (2). Из (2) находим, что при i_к = 0, и_кэ = Е_ки при i_к = Е_к/R_к. Точка перес ВАХ и линии - искомая.

Почему необходимо стабилизировать положение рабочей точки?

Коллекторный ток покоя имеет сильную зависимость от температуры. При нагреве точка покоя перемещается вверх по линии нагрузки по постоянному току. Поэтому в транзисторных усилителях необходима стабилизация точки покоя и каскады без стабилизации практически не применяются. Стабилизация режима покоя позволяет не только исключить искажение формы сигнала при нагреве, но и стабилизировать режим при замене транзистора, поскольку параметры транзисторов имеют от экземпляра к экземпляру большой разброс, указанный в паспортных данных прибора.

Где находится рабочая точка в режиме усиления? Искажается ли входной сигнал при таком положении рабочей точки?

Начальная рабочая точка (НРТ) транзисторного усилителя лежит между областью отсечки (точка Y) и областью насыщения (точка Z). Таким образом, для заданных Е_к и R_к ток базы зафиксирован на линейном участке работы транзистора и может быть определен из формулы I_к=b_стI_б+ I_К0.

К недостаткам этой схемы относят то, что при воздействии внешних факторов, например, температуры изменяются параметры b_ст и I_К0 меняя параметры НРТ, и для транзисторов с разными значениями b_ст приходиться производить перерасчет R_б, для сохранения положения НРТ.

Где находится рабочая точка в режиме насыщения? Искажается ли входной сигнал при таком положении рабочей точки? - нет

Точка А1 – точка отсечки, характеризует режим отсечки.

I_Б= 0, I_К1= I_К0, I_К0 – начальный коллекторный ток, часто он почти =0.

U_К1≈ E_К1, транзистор закрыт, ключ находится в состоянии «ВЫКЛЮЧЕНО»

Точка А2 – точка насыщения, характеризует режим насыщения.

I_Б≠ 0, I_Б≠U_ВХ/R_Б, I_К=Е_К/R_К

U_К2 стремится к 0, транзистор открыт, ключ находится в состоянии «ВКЛЮЧЕНО»

Переход из режима отсечки в режим насыщения осуществляется воздействием положительного входного напряжения.

Чему равно напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения?

Вывод:

Следуя цели работы, нами было изучены и закреплены знания о особенностях задания режима работы усилительного каскада путем экспериментального исследования с помощью измерительных средств виртуальной электронной лаборатории на персональном компьютере на базе программы Electronics Workbench.

В ходе проведения работ нами была построена нагрузочная линия транзисторного каскада, а также задавалась рабочая точка транзисторного каскада. Исследованы параметры рабочей точки транзистора и условия для перевода транзистора в режимы насыщения и отсечки. Определялся статический коэффициент передачи транзистора по экспериментальным данным.

При выполнении экспериментов мы также находили следующие физические величины: ток базы, ток коллектора, напряжение база-эмиттер, напряжение коллектор-эмиттер и рассчитывали по полученным показаниям следующие параметры: коэффициент усиления по току базы. А также построены ВАХ по полученным показаниям.

Из теоретического курса узнали о том, как определяется положение рабочей точки по постоянному току, почему необходимо стабилизировать положение рабочей точки и где находится рабочая точка в режимах усиления и насыщения. А также искажают ли их положение входной сигнал. Чему равно напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения, какая связь между токами коллектора и эмиттера и какую роль играет сопротивление в цепи эмиттера для стабильности работы схемы, и в чем это заключается..

Преподаватель :

______________________________

______________________________

«_____»_____________20____г.