Измерение усилительных параметров простейших каскадов на биполярных транзисторах

Усилительные свойства транзисторов и элементы аналоговой интегральной схемотехники

Объект исследования: биполярный транзистор и полевой транзисторы и различные каскады на их основе.

Рабочие формулы:

  Биполярный транзистор Полевой транзистор
(1) ; ; ; ; ;
(2) ;    
(3) ; ; ;    
(4)
(5)    
(6) ; ; ;
(7) (8) KД = -y 21RL ; Kп = ± Kд/2
(9) ; ; KOCC=20lg  
         

ЧастьI

Измерение малосигнальных Y-параметров биполярных транзисторов

Выбираем рабочую точку

Uk = 6V

Ik = 2mA

Измеряем малосигнальные параметры y11, y12, y21, y22. Вычисляем по формулам (1)

Измеряем y11 и y21
Ra=100 Ом U0 = 10,5 mV y11 = 0,75 См
Rb= 1кОм U1 = 6 mV y21 = 0,06 См
Ra=100 Ом U2 = 40 mV  
Измеряем y22
Ra=100 Ом   y22 = 72 См
Rэ = 51 Ом U2 = 3 V
Rб = 1000 Ом U3 = 11mV
Измеряем y12
Rб = 150 Ом U1 =0,1 mV y12 = 2 См
  U2 = 3 V

Проведем оценку параметров по формулам (2)

Iк = 3mA – рабочая точка;

Uт = 25,5 mV; ( Uт = , где q – заряд электрона, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, T 300 K);

= 140 V; h21 = 50 – из паспорта транзистора;

Параметры (См = 1/Ом) Экспериментальные значения Оценочные значения
y11 0,75E-03 2,35E-03
y21 0,60E-01 1,18E-01
y22 7,20E-05 2,14E-05
y12 2,00E-07 4,29E-07

Измерение усилительных параметров простейших каскадов на биполярных транзисторах

1. Усилительный каскад с общим эмиттером. RL = 620 Ом

Найдем экспериментальные значения (3) и сравним с оценочными (4).

  Экспериментальные значения (формулы 3) Оценочные значения (формулы 4)
|Ku| 0%
KI 46%
Kp 56%
Rвх 1,2 кОм 1,9 кОм 45%

Амплитудная характеристика усилителя U2 = f (U1)

U1,mV U2,V
0,16
0,20
0,24
0,28
0,32
0,37
0,68
0,80
1,00
1,20

По графику видно, что искажения начинаются при напряжениях от 20mV

2. Усилительный каскад с общим коллектором


Rб= 20кОм U0 = 7 mV
RL=620 Ом U1 = 5 mV
  U2 = 50 mV
   
   
   

Амплитудная характеристика U2 = f ( U1):

U1,V U2,V
0,006 0,006
0,008 0,008
0,001 0,001
0,05 0,05
0,1 0,1
0,5 0,5
0,8 0,8
1,5 1,4
1,7
2,1
3,5 2,3
3,8 2,4
2,5 1,9


 

3. Измеряем выходное сопротивление усилителя с общим коллектором (5)

R2' = 51 Ом U вых' = 3,6 mV Rвых = 164
R2'' = 20 Ом U вых'' =1,65 mv

  1. Расчет коэффициенты усиления напряжения, тока и мощности, входное и выходное сопротивления по формулам (6) (Каскад с общим коллектором)

Параметры Экспериментальные Оценочные
|Ku| 0.97 0,99 2%
KI 45%
Kp 78.5 50,3 44%
Rвх 0,12 МОм 2,41 МОм  
Rвых 164 Ом 651 Ом  

Часть II

Измерение малосигнальных Y-параметров полевых транзисторов

5. Выбор рабочей точки:U = 6V

I = 3mA

6. Измеряем малосигнальные параметры y21, y22. Вычисляем по формулам (1)

Измеряем y21
RL=100 Ом U1 = 15 mV y21 =3,2 мСм
  U2 = 4,8 mV
Измеряем y22
Rи = 51 Ом U2 = 2,2 V y22 = 1,33 мСм
R3 = 3 кОм U3 = 0,15V

 

7. Коэффициент усиления напряжения каскада с общим истоком

Рабочая точка:

Uколлектора = 5V => RL=620 Ом  
Iколлектора = 3mA  
Экспериментальные значения Оценочные значения
U1 = 14 mV U2 = 29 mV = 2,07 = 1,75 17%

8. Амплитудная характеристика усилителя с общим истоком U2 = f(U1)

Искажения начинаются при напряжениях от 0,4 V

U1,V U2,V
1,2
0,8 1,3
0,6 1,0
0,4 0,73
0,2 0,37
0,1 0,35
0,08 0,3
0,06 0,22
0,04 0,14
0,01 0,042

 

 


 

  1. Коэффициент усиления напряжения каскада с общим стоком и выходное сопротивление
Экспериментальные значения
R’ U1,mV U2,mV Rвых, Ом
= 390 Ом 234
= 150 Ом

 

=-0,198;

10. Амплитудная характеристика усилителя с общим стоком U2 = f(U1)

Из полученной характеристики по линейному участку можем определить модуль коэффициента усиления по напряжению |Ku| 0,68

U1,V U2,V
2,3 1,4
0,72
0,8 0,55
0,6 0,4
0,4 0,27
0,2 0,13
0,1 0,07
0,05 0,034
0,04 0,028
0,03 0,022
0,02 0,0015
0,01 0,001

 

 Искажения начинаются при напряжениях от 1V
Параметры Оценочные по формулам (6) Экспериментальные
|Ku| 0,66 0,68 6 %
Rвых, Ом 29%
             

 

Исследование дифференциального усилителя при различных способах подачи входного и съема выходного сигналов

11. Каскад на полевых транзисторах

(RL = 620 Ом)

  Экспериментальные значения (7) Оценочные значения (8)
U1 = 10mV U2’ = 5,4 mV U2’’ = 5 mV |Кд| = 1,04 y 21 = 3,2 мСм |KД| = y 21RL = 1,98 62%
|Кп1| = 0,54 Kп = ± Kд/2 = 0,55 2%
|Кп2| = 0,50 10%

 


12. Дифференциальные коэффициент усиления и коэффициент подавления синфазной помехи в режимах противофазного и, соответственно, синфазного возбуждения выходов. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) Рассчитываем по формулам (9)

Синфазное возбуждение Противофазное возбуждение
U1’ = 0,1V U1’’ = 0,1V U2’ = 24m V U2’’ = 22 mV   = 0,01   U1’ = 10mV U1’’ = 11 mV U2’ = 0,60 V U2’’ = 0,54 V = 54,29  
KOCC=20lg = 74 дБ
         

 

Вывод

В результата проделанной работы мы научились измерять и рассчитывать малосигнальные параметры для биполярных и полевых транзисторов (БТ и ПТ). Определять усилительные параметры каскадов на БИ с общим эмиттером и коллектором. Порядок y – параметров, полученных в ходе эксперимента, совпадает с оценочным.

 

Анализируя проделанную лабораторную работу, убеждаемся, что в каскаде на БТ с общим эмиттером усиление происходит и по току и по напряжению, а у каскада с общим коллектором усиления по напряжению меньше единицы. Каскад на БТ с общим коллектором (эмиттерный повторитель) выступает трансформатором сопротивления.

В каскадах на ПТ мы видим усиление по напряжению.

 

В качестве примера дифференциального усилителя мы выбрали каскад на ПТ. Коэффициент дифференциального усиления близок к единице.

Подавая на вход синфазные и противофазные сигналы, делаем вывод, что синфазная помеха практически подавляется: = 0,01, коэффициент ослабления синфазного сигнала = 74 дБ