Указания к выполнению лабораторной работы
Лабораторная работа 1
Исследование генератора с внешним возбуждением на биполярном транзисторе
Цель работы: исследование характеристик и режимов работы генератора с внешним возбуждением (ГВВ) на биполярном транзисторе.
Задание
1. Изучить принципиальную схему исследуемого ГВВ и структурную схему лабораторной установки.
2. Исследовать статические характеристики биполярного транзистора.
3. Исследовать ГВВ в динамическом режиме.
4. Исследовать нагрузочные характеристики ГВВ.
Указания к выполнению лабораторной работы
1. В данной работе в качестве исследуемого генератора с внешним возбуждением используется усилитель на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером (рис. 1). Перед началом работы необходимо изучить принципиальную схему усилителя, разобраться в назначении отдельных элементов схемы и начертить ее в отчете.
Рис. 1. Внешний вид сменного блока «Генератор с внешним возбуждением»
2. При выполнении второго пункта задания снимаются проходная и выходная характеристики транзистора. Для этого к контрольной точке КТ2 подключается мультиметр, расположенный на правой панели установки. На мультиметре устанавливается режим измерения постоянного напряжения с пределом измерения 2 В. Напряжение смещения изменяется потенциометром «Регулировка Есм».
Для снятия проходной характеристики определяется напряжение отсечки (Е´) и исследуется зависимость тока коллектора от напряжения смещения Iк = f(Есм) при Ек = const для трех значений напряжения на коллекторе: Ек = 5 В, Ек = 7,5 В и Ек = 10 В. Результаты измерений заносятся в табл. 1.
Таблица 1
| Есм, В | Е´=0,552 | 0,6 | 0,65 | 0,7 | 0,75 | 0,775 | 0,8 | Ек, В |
| Iк, мА | 0,005 | 0,015 | 0,03 | 0,08 | 0,105 | 0,115 | ||
| Iк, мА | 0,010 | 0,03 | 0,06 | 0,110 | 0,135 | 0,125 | 7,5 | |
| Iк, мА | 0,015 | 0,045 | 0,9 | 0,130 | 0,150 | 0,150 |
По результатам измерений строится семейство проходных статических характеристик Iк = f(Есм; Ек = const) и выбираются рабочие точки для работы ГВВ в линейном режиме и в режиме класса В (с углом отсечки 90°).
Для снятия выходной характеристики исследуется зависимость тока коллектора от напряжения питания коллектора Iк = f(Ек) при Есм = const для трех значений напряжения смещения Есм (Есм>Е´). Результаты измерений заносятся в табл. 2.
Таблица 2
| Ек, В | 7,5 | Есм, В | ||
| Iк, мА | 0,035 | 0,040 | 0,045 | 0,65 |
| Iк, мА | 0,083 | 0,090 | 0,100 | 0,7 |
| Iк, мА | 0,125 | 0,135 | 0,145 | 0,75 |
По результатам измерений строится семейство выходных статических характеристик Iк = f(Ек; Есм = const).
3. При выполнении третьего пункта для исследования ГВВ в динамическом режиме снимаются зависимости токов от амплитуды сигнала возбуждения и от напряжения смещения (при заданном напряжении возбуждения).
В первую очередь необходимо определить резонансную частоту нагрузочного контура. Для этого к контрольной точке КТ1 подключается генератор НЧ (−20 дБ), расположенный на левой панели установки, и выбирается 4-й частотный поддиапазон, UНЧ = 0,2 В. К контрольной точке КТ4 подключается осциллограф. Меняя частоту генератора НЧ, определить такую частоту fнч, при которой напряжение на контуре будет максимально (fнч лежит в пределах 90–110 кГц).
Для снятия зависимости режима работы ГВВ от амплитуды сигнала возбуждения необходимо:
- подключить выход генератора НЧ (−20 дБ), расположенный на левой панели установки, к контрольной точке КТ1 и установить частоту fнч;
- установить напряжение питания коллектора Ек=7,5 В и напряжение смещения Есм = Е´;
- подключить осциллограф к контрольным точкам КТ1 и КТ3;
- подключить сопротивление нагрузки Rн3.
Зависимость тока коллектора от амплитуды напряжения возбуждения Iк = f(Uвх) снимается для различных режимов работы ГВВ – недонапряженного (ННР), граничного (ГР) и перенапряженного (ПНР). Результаты измерений заносятся в табл. 3.
Fн2=107,1кГц
Таблица 3
| ННР | ГР | ПНР | ||||
| Uвх, мВ | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,5 | 1,3 | |
| iк max, мА | 0,01 | 0,11 | 0,12 | 0,125 | 0,18 | 0,22 |
| Iк0, мА | 0,025 | 0,035 | 0,04 | 0,045 | 0,05 | 0,05 |
Для исследования зависимости режима работы ГВВ от напряжения смещения необходимо:
- подключить выход генератора НЧ (−20 дБ), расположенный на левой панели установки, к контрольной точке КТ1;
- установить частоту fнч;
- установить амплитуду напряжения возбуждения, соответствующую недонапряженному режиму работы ГВВ;
- установить напряжение питания коллектора Ек=7,5 В;
- к контрольной точке КТ2 подключить мультиметр. На мультиметре установить режим измерения постоянного напряжения с пределом измерения 2 В;
- подключить осциллограф к контрольным точкам КТ1 и КТ3;
- подключить сопротивление нагрузки Rн3.
Снимается зависимость тока коллектора от напряжения смещения Iк = f(Есм). Результаты измерений заносятся в табл. 4.
Таблица 4
| Есм ,В | 0,55 | 0,6 | 0,65 | 0,7 | 0,75 | 0,775 |
| iк max, мА | 0,1 | 0,11 | 0,141 | 0,8 | 0,22 | 0,24 |
| Iк0, мА | 0,025 | 0,04 | 0,05 | 0,055 | 0,075 | 0,085 |
Для исследования нагрузочной характеристики ГВВ необходимо:
- установить напряжение питания коллектора Ек=7,5 В, напряжение смещения Есм=Е´, сопротивление нагрузки Rн3;
- установить амплитуду напряжения возбуждения, соответствующую граничному режиму работы ГВВ;
- подключить осциллограф к контрольным точкам КТ3 и КТ4.
Таблица 5
| Rн | Rн1 = 51 Ом | Rн2 = 100 Ом | Rн3 = 200 Ом | Rн4 = 510 Ом | Rн5 = ∞ |
| iк max, мА | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,08 | 0,05 |
| Iк0, мА | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,025 | 0,02 |
| Uн ,В | 2,05 | 2,4 | 5,3 | 5,4 | |
| P1 | |||||
| P0 | |||||
| h |
Снимается зависимость коллекторного тока Iк и выходного напряжения Uн от сопротивления нагрузки Rн. Результаты измерений заносятся в табл. 5.
На основании результатов измерений определяется полезная мощность (P1), потребляемая мощность (P0) и КПД (h) ГВВ.
Электронный коэффициент полезного действия (без учета потерь в высокочастотной нагрузке):
,
где P~ – мощность, отдаваемая активным элементом,
P0 – потребляемая каскадом мощность.
Как и обычно, 
, причем Iк1 − амплитуда первой гармоники тока выходного электрода, в данном усилителе – коллектора; Uк – амплитуда высокочастотного напряжения на коллекторе.
Пренебрегая потерями в ВЧ нагрузке примем, что измеренное напряжение на ней Uн равно напряжению на коллекторе транзистора:
Uн = Uвых = Uк
Амплитуду Iк1 можно определить по максимальному току iкmax:
Iк1 = α1(q)iкmax
Необходимо учесть, что измеренный максимальный ток через ВЧ нагрузку iк изм отличается от максимального тока в коллекторной цепи на величину среднего тока коллектора Iк0:
iкmax = Iк0 + iк изм .
Следовательно, Iк1 = α1(q)(Iк0 + iк изм) .
Тогда окончательно:
где Ек – напряжение питания. Угол отсечки тока q определяется аналитически по формуле:
Здесь Eс – напряжение смещения; E’ – напряжение отсечки; Uвх – амплитуда ВЧ напряжения сигнала возбуждения на базе транзистора, которую в пренебрежении потерями во входной цепи будем считать равной амплитуде сигнала генератора НЧ.