Исследование каскада усиления переменного сигнала на МДП-транзисторе

Лабораторная  работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ  КАСКАДА УСИЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО СИГНАЛА  НА МДП-ТРАНЗИСТОРЕ

(выполнение  в Electronics Workbench) 

     Цель: исследование режимов работы усилительного каскада на полевом транзисторе, нелинейных искажений выходного сигнала, влияния обратной связи на характеристики усилителя. 

2.1. Краткие теоретические сведения 

     Каскад  усиления переменного сигнала (рис. 1) содержит один МДП-транзистор, включённый по схеме с общим истоком и работающий в режиме A. 

 

Рис. 1. Усилительный каскад на МДП-транзисторе. 

     Этот  режим определяется положением точки  покоя на нагрузочной характеристике транзистора (рис. 2). Так как транзистор является прибором с управляемой проводимостью, то нагрузочная характеристика представляет собой зависимость тока через транзистор I_с (ток стока) от напряжения на нём U_си (между стоком и истоком) при изменении его проводимости от 0 до ∞. Для каскада в целом различают режим покоя (входное напряжение u_вх = 0) и режим сигнала (u_вх ≠ 0). Режим A транзистора характеризуется тем, что точка покоя устанавливается примерно посередине нагрузочной характеристики (рис. 2, прямая 1) так, чтобы происходило неискажённое усиление обеих полуволн переменного сигнала. В режиме покоя рабочая точка транзистора совпадает с точкой покоя, а в режиме сигнала перемещается по нагрузочной характеристике в зависимости от изменений входного сигнала транзистора ΔU_зи. Причём в режиме сигнала нагрузочная характеристика имеет другой наклон вследствие изменения сопротивления внешней цепи на переменном токе (рис. 2, прямая 2).

     Сопротивление R3 ограничивает ток стока транзистора, вместе с которым образует делитель напряжения питания E_п, и может использоваться для регулирования точки покоя транзистора (U_сип; I_сп).

     Нагрузочная характеристика транзистора в режиме покоя описывается уравнением:

,      (2.1)

где R₌ = R3 – сопротивление внешней цепи на постоянном токе относительно выводов транзистора (стока и истока). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики МДП-транзистора в режиме A и точка покоя каскада (1 – нагрузочная прямая на постоянном токе, 2 – нагрузочная прямая на переменном токе). 

      В режиме сигнала сопротивление внешней цепи относительно выводов транзистора уменьшится, так как через разделительный конденсатор C2 начнёт протекать переменный ток в нагрузку R_н, и нагрузочная характеристика опишется выражением:

,     (2.2)

где (c пренебрежением малым ёмкостным сопротивлением разделительного конденсатора C2). 

     Сопротивления R1 и R2 образуют делитель напряжения питания E_п и подбираются так, чтобы обеспечить точку покоя на входе транзистора (U_зип; I_сп). Конденсаторы C1 и C2 являются фильтрами верхних частот и предотвращают проникновение постоянной составляющей тока в цепь соответственно нагрузки R_н и источника сигнала u_вх. Их ёмкости подбираются достаточно большими, чтобы обеспечить минимальное сопротивление переменному току в области рабочих частот.

      Коэффициент усиления каскада по напряжению приближённо  можно определить по нагрузочной  характеристике транзистора в режиме сигнала, определив приращение выходного напряжения ΔU_си и соответствующее ему приращение входного напряжения ΔU_зи.

     Во  многих случаях в усилители вводятся обратные связи (ОС), выполняющие различные  функции: коррекция частотных характеристик, температурная стабилизация режима покоя, компенсация нелинейных искажений выходного сигнала, регулирование коэффициента усиления и прочие. Для организации ОС необходимо определённым образом обеспечить влияние выходного сигнала (u_вых или i_вых) на входной сигнал (u_вх или i_вх). Если при наличии ОС входной сигнал ослабляется, то ОС называется отрицательной, в противном случае – положительной. Положительные ОС используются, как правило, для построения генераторов различных колебаний, и в усилителях в большинстве случаев являются нежелательными, поскольку снижают устойчивость усилителей к возникновению автоколебаний. Поэтому, если не оговаривается иное, при упоминании ОС подразумеваются отрицательные.

      Метод расчёта усилительного каскада  зависит от исходных данных. Рассмотрим методы расчёта каскада без ОС (рис. 1) и каскада с последовательной ОС по току (рис. 2) при заданных характеристиках транзистора, сопротивлениях нагрузки R_н и генератора сигнала R_г, напряжении источника питания E_п и минимальной рабочей частоте f_min. 

   Расчёт каскада без ОС.

     Для расчёта режима покоя каскада  необходимо выбрать точку покоя  на нагрузочной характеристике транзистора  по постоянному току (рис. 2), которую  необходимо построить по уравнению (2.1):

      Сопротивление R3 подбирается из следующих соображений. При большом R3 нагрузочная характеристика получается пологой, что даёт большой коэффициент усиления по напряжению k_U. При малом R3 уменьшается выходное сопротивление каскада, то есть увеличивается его нагрузочная способность, однако с ростом наклона нагрузочной характеристики падает коэффициент усиления. В большинстве случаев R3 принимает оптимальное значение, когда нагрузочная характеристика пересекает крутой участок крайней выходной характеристики при U_си = (0,08…0,12)E_п.

     Точка покоя (U_сип; I_сп) выбирается ниже середины нагрузочной характеристики по постоянному току так, чтобы по обе стороны от неё укладывались примерно одинаковые приращения напряжения ±ΔU_сип максимально возможной величины, не выходящей за пределы линейной области.

     По  входной характеристике определяется напряжение U_зип, соответствующее значению I_сп (рис. 1). Сопротивления делителя R1 и R2, обеспечивающие точку покоя, образуют входное сопротивление каскада и должны быть достаточно большими, чтобы не ослаблять входной сигнал. Так как они включены параллельно относительно затвора, меньшее из них задаётся, а другое рассчитывается из уравнения делителя: 

R2 = (500…1000)R_г, 

.      (2.3) 

      В режиме сигнала нагрузочная характеристика транзистора изменяет наклон и определяется уравнением (2.2).

      Ёмкости разделительных конденсаторов C1 и C2 рассчитываются так, чтобы они не оказывали существенного влияния на переменную составляющую входного и выходного токов в рабочем диапазоне частот: 

,  . 

      На  входной характеристике транзистора  относительно точки покоя U_зип откладываются одинаковые приращения ±ΔU_зи и находятся соответствующие приращения выходного тока ΔI_с и напряжения ΔU_зи = ΔU_вых (рис. 1). Причём максимально возможные приращения ΔU_си, будут определять максимально допустимую амплитуду входного сигнала ΔU_зи max= ΔU_{вх max}.

      Коэффициент усиления по напряжению определится  через приращения напряжений в окрестности  точки покоя:

.      (2.4)

     Расчёт  каскада с последовательной ОС по току.

     Каскад (рис. 3) отличается от предыдущего наличием в цепи истока сопротивления R_ос, падение напряжения на котором при протекании тока действует во входной цепи. Эта ОС вводится для температурной стабилизации точки покоя транзистора. В режиме сигнала ОС уменьшает коэффициент усиления и является нежелательной, поэтому в схему вводится конденсатор C_ос, шунтирующий сопротивление R_ос на переменном токе. 

 

Рис. 3. Каскад с последовательной отрицательной ОС по току.

      Для сохранения параметров каскада относительно нагрузки при введении ОС нагрузочная характеристика транзистора на переменном токе, проходящая через исходную точку покоя (U_сип; I_сп), не должна измениться. То есть сопротивление R3, входящее в соотношения (2.1), (2.2) остаётся прежним, а сопротивление R_ос задаётся в зависимости от степени нестабильности конкретного транзистора. Для большинства случаев приемлемо соотношение:

R_ос = (0,1…0,3)R3.

     Напряжение  U_зип, определяющее точку покоя также не изменится. Для его поддержания необходимо поднять потенциал затвора по сравнению с исходным, так как потенциал истока в режиме покоя будет равен падению напряжения на R3.  

Следовательно, уравнение (2.3) преобразуется к виду: 

.    (2.5)

     Так же, как и в случае без ОС, одно из сопротивлений задаётся, а другое рассчитывается.

     Ёмкость шунтирующего конденсатора задаётся из тех же соображений, что и ёмкости  разделительных. Однако с учётом его параллельного соединения с R_ос используется меньший множитель:

.

      Коэффициент усиления каскада по напряжению будет примерно такой же (или чуть ниже, чем в схеме без ОС).

2.2. Порядок выполнения работы

1. Выбрать по заданию преподавателя из таблицы 2.1 трёхэлектродный МДП-транзистор с индуцированным каналом (3-Terminal Enhancement MOSFET) и построить его входные и выходные характеристики. Для этого необходимо, включить его по схеме с общим истоком к входному и выходному источникам постоянного напряжения, соблюдая полярность с учётом типа проводимости канала транзистора (рис. 4).

Таблица 2.1

 

 

Рис. 4. Схема для построения семейства статических ВАХ транзистора с n-каналом.

      В цепь истока (или стока) включить источник напряжения, управляемый током (CCVC – Current-Controlled Voltage Source), для снятия с его выхода сигнала, пропорционального току стока. В меню «Analysis» выбрать анализ по постоянному току «DC sweep», задать для каждого источника диапазон и шаг изменения напряжения (рис. 5.а) и произвести построение выходных характеристик. Конечное значение напряжения источника V2 установить равным 12 В. Конечное значение напряжения источника V1 и его инкремент могут быть изменены для получения приемлемого вида характеристик для построения нагрузочных прямых. Аналогично снять входные характеристики (характеристики передачи), изменив настройки анализа (рис. 5.б).