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. R_L = 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