ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22
ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
1. Цель работы
Приобретение и закрепление навыков работы с программой DESIGN CENTER, изучение причин термонестабильности режима усилительных каскадов и методов их стабилизации.
2. Методика исследования схем
Изучение термонестабильности режима усилительных каскадов на биполярных транзисторах и методов их стабилизации проводится с помощью моделирования работы этих схем на персональной ЭВМ. В данной работе используется программа анализа электронных схем DESIGN CENTER. В эту программу уже встроена модель биполярного транзистора Гуммеля-Пуна, в которой отражаются и температурные эффекты [2].
В работе моделируется схема простейшего усилительного каскада ОЭ (рис. 22.1 и 22.2) в диапазоне температур îò -20°Ñ äî +60°Ñ.
Рассматривается также реальная схема усилительного каскада ОЭ так называемое “токовое зеркало” (рис. 22.3), которая используется в интегральных операционных усилителях.
3. Подготовка к работе
3.1. Изучить рекомендуемую литературу [6] и описание данной лабораторной работы.
3.2. Для простейшего усилительного каскада ОЭ (рис.22.1) рассчитать возможное изменение коллекторного тока DIê â äèàïàçîíå òåìïåðàòóð îò -20°Ñ äî +60°Ñ è òåõíîëî-ãè÷åñêîì ðàçáðîñå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ b îò 20 äî 120.
3.3. Для схемы ОЭ с резистором Rэ=20 Ом в цепи обратной связи (рис. 22.2) рассчитать то же самое, что и в п. 3.2.
4. Рабочее задание
|
Рис. 22.1. Усилительный каскад ОЭ |
4.1. С помощью программы DESIGN CENTER рассчитать входные вольт-амперные характеристики транзистора (см. лабораторную работу № 21) при изменении базового тока от 0 до 1мА , постоянном напряжении на коллекторе 5 В и температуре -20°Ñ, +20°Ñ и +60°Ñ. Получить на экране семейство входных характеристик. Рассчитать температурный коэффициент изменения напряжения на базе x при токе Iб=0.5 мА.
4.2. С помощью графического редактора SHEMATICS программы DESIGN CENTER “собрать схему” (рис. 22.1) (значения Rк и Eпит задает преподаватель). Рассчитать передаточную характеристику схемы для температуры +20°С.
С помощью программы PROBE найти середину линейного усилительного участка и определить значение постоянного источника базового смещения Еб и примерное значение амплитуды синусоидального источника входного сигнала, позволяющее передавать его через усилитель без искажений.
4.3. Для этой же схемы (рис. 22.1) для температуры -20, +20 и +60°С при определенных в п. 4.2. значениях напряжения источника Еб и амплитуде синусоидального источника с помощью программы PSPICE рассчитать режим схемы (установить режим анализа BIAS POINT DETAIL) и реакцию схемы на синусоидальный сигнал (режим анализа TRANSIENT...), частота которого равна 1кГц.
|
Рис.22.2. Усилительный каскад ОЭ с термостабилизирующим резистором Rэ |
С помощью программы PROBE просмотреть результаты расчета переходного процесса. Объяснить полученные результаты.
Просмотреть выходной файл результатов и заполнить таблицу 1. Сделать выводы о терсмостабильности такого усилительного каскада.
4.4. С помощью встроенного графического редактора SCHEMATICS программы DESIGN CENTER “собрать” схему (рис. 22.2) и рассчитать её передаточную характеристику для температуры +20°С. Сопротивление резистора Rэ=20 Ом. С помощью программы PROBE найти середину линейного усилительного участка и определить значение постоянного источника базового смещения Еб.
4.5. Для схемы усилительного каскада ОЭ (рис. 22.2) для температуры -20, +20 и +60°С при определенных в п. 4.4. значении напряжения источника Еб и в п. 4.2. амплитуде синусоидального источника рассчитать режим схемы и реакцию схемы на синусоидальный сигнал, частота которого равна 1кГц.
С помощью программы PROBE просмотреть результаты расчета переходного процесса. Убедиться, что для данной схемы для любой температуры выходной сигнал не искажается.
С помощью редактора просмотреть выходной файл результатов и заполнить таблицу 22.1. Сделать выводы о назначении резистора Rэ.
Таблица 22.1
|
Схема |
22.1 |
22.2 |
22.3 |
||||||
|
Т,°С |
-20 |
+20 |
+60 |
-20 |
+20 |
+60 |
-20 |
+20 |
+60 |
|
Iк,мА |
|||||||||
|
Uкэ,В |
|||||||||
|
Рис. 22.3. Усилительный каскад ОЭ - “токовое зеркало” |
4.6. Собрать схему “токовое зеркало” (рис. 22.3). Делитель R1-R2 выбрать таким, чтобы обеспечить смещение на базе транзистора Uб=Еб, что и в п.4.5. Для температуры -20, +20 и +60°С рассчитать с помощью программы PSPICE режим схемы и реакцию схемы на синусоидальный сигнал, частота которого равна 1кГц.
С помощью программы PROBE просмотреть результаты расчета переходного процесса, а с помощью редактора просмотреть выходной файл. Полученные результаты сравнить с результатами п.4.5.
5. Оформление отчета
Отчет о проделанной работе должен содержать:
а) все пункты подготовки к работе;
б) все исследуемые схемы усилительных каскадов;
в) результаты выполнения всех пунктов рабочего задания, оформленные в виде таблиц или диаграмм.
6. Приложение
6.1. Термонестабильностью усилительных каскадов называется смещение положения рабочей точки на вольт-амперных характеристиках транзистора из-за изменения температуры. Режимный ток транзистора меняется как со временем, так и при его замене (например, когда транзистор сгорит). Однако и в этом случае говорят о термонестабильности, так как причина смещения одна и та же - изменение параметров транзистора.
Температура влияет на все параметры. Но основное влияние на режим схемы оказывают тепловые (обратные) токи p-n-переходов. Тепловой ток коллекторного перехода влияет существенно меньше теплового тока эмиттерного перехода. Это связано с тем, что в настоящее время, как правило, применяются кремниевые транзисторы, а у них тепловые токи малы в широком диапазоне температур. Кроме этого, в усилительных схемах коллекторный переход смещен в обратном направлении. Поэтому изменением теплового тока коллекторного перехода можно пренебречь.
Изменение теплового тока эмиттерного перехода учитывается через изменение напряжения на эмиттерном переходе:
DUбэ = -x·DT ,
где x - температурный коэффициент, равный 1...2 мВ/°С.
Для схемы (рис. 22.1) напряжение DUбэ можно считать входным сигналом усилителя. Тогда относительное изменение коллекторного тока
dIкT= DIк/Iк = (x/jt) ·DT .
Технологический разброс коэффициента усиления b вызывает для той же схемы относительное изменение коллекторного тока, равное
dIкb = DIк/Iк = Db/b = db .
Учитывая, что разброс по коэффициенту усиления может составлять сотни процентов, схема (рис. 22.1) не может иметь практического применения.
Для стабилизации рабочего режима в эмиттерную цепь включают резистор Rэ (рис. 22.2). В этом случае возникает отрицательная обратная связь, которая и уменьшает изменение коллекторного тока:
dIкT= DIк/Iк = (x/URэ) ·DT ;
dIкb = DIк/Iк = (db/b)/(1+b(Rб/(Rэ+Rб))).
6.2. Делитель R1-R2 в схеме “токовое зеркало” можно рассчитать следующим образом.
Задаемся током делителя Iд @ 10·Iб. Тогда
R2 = (Eб - Upn)/Iд ;
R1 = (Eпит-Upn)/Iд - R2.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
