Исследование усилительных каскадов с автоматическим смещением на постоянном токе

Кафедра «Измерительно-вычислительные комплексы »

Дисциплина «Схемотехника»

 

 

Лабораторная работа №4

Вариант: 13

Исследование усилительных каскадов с автоматическим смещением на постоянном токе

Выполнил:

Студент группы ИСТбд-31

Силантьев А. Р

Проверил:

Ефимов И. П

 

Ульяновск

Цель: изучить схематические решения, предназначенные для термостабилизации усилительных каскадов; познакомиться с автоматической стабилизацией тока покоя биполярного транзистора в усилительном каскаде; исследовать усилительные каскады с автоматической стабилизации тока покоя.

Кратка теоретическая справка:

Изменение температуры является основным фактором изменения тока коллектора транзистора (рис.7.1).

При нормальной температуре (около +27°C) при напряжении смещения коллекторный ток транзистора имеет величину𝐼ко. При увеличении температуры (t> +27°C) коллекторный ток увеличивается (𝐼ков), при уменьшении температуры (t < +27°C) коллекторный ток транзистора уменьшается (). При постоянном значении напряжения смещения , значительной степени зависит от температуры.

Под автоматическим смещением понимается автоматическое измерение напряжения таким образом, чтобы постоянный ток коллектора 𝐼ко стабилизировался (рис.7.1). Для решения данной задачи принцип изменения напряжения смещения должен быть следующим: при увеличении температуры (°𝑡 ↑) напряжение уменьшается ( ↓); при уменьшении температуры (°𝑡 ↓)напряжение увеличивается ( ↑)(рис.7.2).

Термочувствительная схема (ТЧС) преобразует температуру в напряжение (термодатчик), которое является входным сигналом для схемы управления напряжением смещения (СУНС). На выходе СУНС формируется напряжение , которые определяет состояние транзистора и его коллекторный ток (рис.7.2).

Наиболее часто блоки ТЧС и СУНС объединяются в единый структурный элемент (эмиттерная, коллекторная, комбинированная стабилизация тока покоя транзистора). Если в схеме каскада присутствует термочувствительный элемент, то блок ТЧС выделяется в качестве отдельного элемента структуры (терморезистор в цепи делителя напряжения смещения транзистора).

В схеме (рис.7.3) напряжение смещения транзистора меняется в зависимости от температуры транзистора.

Сопротивление резистора зависит от температуры транзистора (оба элемента имеют тепловой контакт друг с другом). При повышении температуры коллекторный ток транзистора увеличивается. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводникового терморезистора отрицателен, то его сопротивление уменьшается. Уменьшение сопротивления резистора приводит к уменьшению напряжения смещения , увеличению сопротивления перехода коллектор-эмиттер транзистора и уменьшению значения . При понижении температуры уменьшается, сопротивление увеличивается, напряжение смещения возрастает, сопротивление перехода коллектор-эмиттер транзистора 𝑉𝑇1 уменьшается и коллекторный ток увеличивается.

Таким образом, в УК (рис.7.3) обеспечивается термостабилизация тока покоя транзистора .

Для эффективной стабилизации тока покоя транзистора необходимо обеспечить вполне определенный закон изменения сопротивления терморезистора от температуры: = 𝜑(°𝑡). В ряде случаев вместо одинакового терморезистора приходится использовать двухполюсник, состоящий из нескольких резисторов (обычных и терморезисторов).

На рис.7.4 представлена схема термостабилизированного УК, в котором реализована стабилизация со стороны коллектора.

При повышении температуры увеличивается, при этом возрастает ток, протекающий через резистор . Падение напряжения на увеличивается, потенциал коллектора уменьшается, падение напряжения на резисторе также уменьшается, что обуславливает понижение значения тока базы транзистора . Транзистор закрывается и ток коллектора 𝐼ко уменьшается.

Понижение температуры приводит к уменьшению и увеличению 𝑈ко, что в конечном итоге обуславливает рост и, следовательно, увеличение .

Таким образом, реализуется механизм стабилизации значения тока коллектора, биполярного транзистора. Аналогичная схема УК с фиксированным смещением (рис.7.5) значительно проигрывает схеме (рис.7.4) в плане температурной стабильности .

В схеме на рис.7.5 элементы и образуют источник почти постоянного значения тока базы, который лишь в незначительной степени зависит от температуры ≈ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. В то время как в схеме на рис.7.4чувствительность к колебаниям температуры намеренно увеличена =𝜑(°𝑡).

Другой вариант схемы автоматического смещения =𝜑(°𝑡) представлен на рис.7.6.

Схема (рис.7.6) отличается от схемы (рис.7.5) наличием резистора , через который проходит коллекторный ток транзистора. В точке A ток, протекающий от источника питания EK, разделяется на ток базы и ток коллектора . При изменении изменяется падение напряжения на резисторе . Поэтому потенциал точки A является зависимым от и от температуры: =𝜑(). При повышении температуры увеличивается, уменьшается. Это приводит к уменьшению и, следовательно, к понижению величины тока коллектора . При уменьшении температуры уменьшается, увеличивается, возрастает и, следовательно, увеличивается.

Эффективность схем коллекторной стабилизации в значительной степени зависит от величин сопротивлений резисторов (рис.7.4) и (рис.7.6). Чем больше сопротивление этих резисторов, тем более стабильными являются соответствующие УК.

Схема УК с автоматическим смещением (рис.7.7) отличается от рассмотренных ранее схем наличием в цепи эмиттера транзистора резистора , что делает потенциал эмиттера зависимым от тока коллектора (эмиттера).

Потенциал базы транзистора является величиной постоянной =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, так как напряжение снимается с выхода резистивного делителя напряжения (, ). Напряжение смещения = - . При повышении температуры 𝐼ко увеличивается, потенциал эмиттера транзистора возрастает, напряжение смещения уменьшается, сопротивление транзистора увеличивается и ток коллектора уменьшается.

Уменьшение температуры приводит к уменьшению , понижению потенциала эмиттера , увеличению напряжения смещения , уменьшению сопротивления транзистора и увеличению .

Схема (рис.7.7) является модернизацией схемы параллельного смещения (рис.7.8).

В схеме (рис.7.8) напряжение смещения = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. Поэтому на величину тока коллектора в значительной степени оказывает влияние температура. Можно заметить, что схема (рис.7.8) является частным случаем схемы (рис.7.7), когда = 0. Эффективность стабилизации 𝐼ко тем выше, чем больше сопротивление резистора .

Схема (рис.7.9) является комбинацией схем (рис.7.6 и рис.7.7), в которой одновременно реализованы и коллекторная, и эмиттерная стабилизация тока покоя транзистора.

При повышении температуры увеличивается, возрастает падение напряжения на резисторе фильтра , уменьшается. Это приводит к снижению напряжения на выходе делителя, задающего напряжение смещения . Одновременно при росте увеличивается падение напряжения на эмиттерном резисторе . Следовательно, напряжение смещения = − уменьшается более эффективно: с одной стороны, за счет уменьшения потенциала базы , с другой – за счет увеличения потенциала эмиттера .

При уменьшении температуры 𝐼ко уменьшается и напряжение смещения увеличивается как за счет увеличения , так и за счет уменьшения . Сопротивление перехода коллектор-эмиттер транзистора уменьшается и ток коллектора увеличивается. Эффективность стабилизации зависит от сопротивлений резисторов и . Чем больше сопротивления резисторов и , тем более эффективно осуществляется стабилизация.

Общий вывод по работе: при выполнении работы были освоены принципы работы в программе Micro-Cap, а именно: построение основных элементов цепи, вычисления основных элементов цепи, используя средство Dynamic DC для проверки с вычисленными значениями. Также были изучены принципы исследования температурной стабильности схемы без компенсации температурной зависимости , вычисление диапазона изменения тока коллектора для заданного диапазона температур, исследования температурной стабильности схемы , исследования температурной стабильности схем без компенсации температурной зависимости , а также были проведены сравнения температурных стабильностей для различных схем.

 

 

Задание 7.3.1. Выполнить регулировку усилительного каскада (рис.7.3)

Рис.7.3. Организация автоматического смещения в УК с терморезистором:

Таблица 7.2 Результаты регулировки схемы (рис.7.3) при температуре +27°C:

, кОм	, кОм	, кОм	, В	,мА	Тип транзистора
	4,6		4,397	4,603	2N4400

 

Вывод: после регулировки усилительного каскада, было выяснено, что при увеличении возрастает .

 

Задание 7.3.2. Определение требуемого вида зависимости сопротивления терморезистора от температуры для схемы (рис.7.3)

Таблица 7.3 Требуемая зависимость сопротивления терморезистора 𝑅б2от температуры в схеме (рис.7.3):

Температура, °C	-35	-30	-25	-20	-15	-10	-5		+5
, кОм	5,2019	5,1405	5,1105	5,0630	5,0168	4,9690	4,9208	4,8720	4,8229

 

 

Температура, °C	+10	+15	+20	+27	+30	+35	+40
, кОм	4,7733	4,7230	4,6725	4,6000	4,5700	4,5183	4,4660

 

График зависимости = 𝜑(°𝑡):

Вывод: после регулировки усилительного каскада, было выяснено, что при увеличении температуры убывает .

 

Задание 7.3.3. Исследование температурной стабильности схемы без компенсации температурной зависимости .

Рис.7.5. Смещение транзистора в УК с фиксированным током базы:

Таблица 7.4 Зависимость режима работы транзистора в схеме (рис.7.5) от температуры:

Температура, °C	-35	-30	-25	-20	-15	-10	-5
, мА	4,897	4,859	4,822	4,787	4,753	4,72	4,689	4,659
, В	4,103	4,141	4,178	4,213	4,247	4,28	4,311	4,341

 

Температура, °C	+5	+10	+15	+20	+27	+30	+35	+40
, мА	4,629	4,601	4,574	4,547	4,512	4,497	4,473	4,45
, В	4,371	4,399	4,426	4,453	4,488	4,503	4,527	4,55

 

График зависимостей = (°𝑡):

График зависимостей = (°𝑡):

Диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур (табл.7.4) :

Вывод: после исследования температурной стабильности схемы без компенсации температурной зависимости , было выяснено, что при возрастании температуры уменьшаются значения , но при этом увеличиваются .

 

Задание 7.3.4. Исследование температурной стабильности схемы (рис.7.4)

Рис.7.4. Коллекторная стабилизация тока покоя транзистора:

(−35) = 4,578 мА

(+40) = 4,432 мА

Диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур (табл.7.4) :

∆ = (+40) − (−35) =

 

Таблица 7.5 Температурная нестабильность схемы (рис.7.4):

, кОм	1,0	1,5	2,0
(−35), мА	4,578	3,519	2,864
(+40), мА	4,432	3,432	2,806
∆ , мА	0,146	0,087	0,058

 

Вывод: после исследования температурной стабильности схемы (рис. 7.4), было выяснено, что при увеличении уменьшается диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур.

 

Задание 7.3.5. Исследование температурной стабильности схемы (рис.7.6)

Рис.7.6. Второй вариант схемы коллекторной стабилизации тока покоя транзистора:

(−35) = 3,89 мА

(+40) = 3,566 мА

Диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур (табл.7.6) :

∆ = (+40) − (−35) =

Таблица 7.6 Температурная нестабильность схемы (рис.7.6):

, Ом
(−35),мА	3,890	3,415	3,047
(+40),мА	3,566	3,158	2,838
∆ , мА	0,324	0,257	0,209

 

Вывод: после исследования температурной стабильности схемы (рис. 7.6), было выяснено, что при увеличении уменьшается диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур.

 

Задание 7.3.6. Сравнение температурной стабильности схем (рис. 7.4, 7.5, 7.6)

Таблица 7.7 Температурная нестабильность схем (рис. 7.4, 7.5, 7.6):

Схемы	Рис.7.4	Рис.7.5	Рис.7.6
, кОм	, Ом
1,0	1,5	2,0
∆ , мА	0,146	0,087	0,058	0,447	0,324	0,257	0,209

 

Вывод: после исследований температурной стабильности схем (рис. 7.4, 7.5, 7.6), было выяснено, что диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур для схемы рис. 7.4. имеет наибольшее значение, т.к. чувствительность к колебаниям температуры намеренно увеличена

= 𝜑(°𝑡), в отличии от других схем.

 

Задание 7.3.7. Исследование температурной стабильности схем без компенсации температурной зависимости 𝐼ко (рис. 7.8)

Рис.7.8. Схема параллельного фиксированного смещения транзистора в УК:

Зависимость режима работы транзистора в схеме (рис.7.8) от температуры:

Температура, °C	-35	-30	-25	-20	-15	-10	-5
, мА	16,4	16,501	16,603	16,708	16,815	16,923	17,033	17,144
, В	4,9	4,875	4,849	4,823	4,796	4,769	4,742	4,714

 

Температура, °C	+5	+10	+15	+20	+27	+30	+35	+40
, мА	17,257	17,371	17,487	17,604	17,770	17,842	17,963	18,085
, В	4,686	4,657	4,628	4,599	4,557	4,539	4,509	4,479

 

График зависимостей = (°𝑡):

График зависимостей = (°𝑡):

 

Диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур :

Вывод: после исследования температурной стабильности схемы без компенсации температурной зависимости , было выяснено, что при возрастании температуры увеличиваются значения 𝐼ко, но при этом уменьшаются значения .

 

Задание 7.3.8. Исследование температурной стабильности схемы (рис.7.7)

Рис.7.7. Эмиттерная стабилизация тока покоя транзистора:

(−35) = 4,188 мА

(+40) = 4,527 мА

Диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур (табл.7.7) :

∆ = (+40) −𝐼ко(−35) =

Температурная нестабильность схемы (рис.7.7):

, Ом
(−35),мА	4,188	2,254	1,547
(+40),мА	4,527	2,482	1,687
∆ , мА	0,339	0,228	0,140

 

Вывод: после исследования температурной стабильности схемы (рис. 7.7), было выяснено, что при увеличении уменьшается диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур. Значение диапазон изменения тока коллектор схемы (рис. 7.8) намного превышает значение, полученное по схеме (рис. 7.8), в связи с видом стабилизации тока стабилитрона.

 

Задание 7.3.9. Сравнение температурной стабильности схем (рис.7.7 и 7.8)

Таблица 7.9 Температурная нестабильность схем (рис.7.7, 7.8):

Схемы	Рис.7.7	Рис.7.8
, Ом
∆ , мА	0,339	0,228	0,140	1,685

 

Вывод: после исследований температурной стабильности схем (рис. 7.7, 7.8), было выяснено, что ∆ значительно выше на рис. 7.7, чем на рис. 7.8, т.к. схема рис. 7.8. является частным случаем схемы (рис.7.7), когда = 0, поэтому эффективность рис. 7.7 выше, и возрастает с увеличением резистора .

 

Задание 7.3.10. Исследование температурной нестабильности схемы (рис. 7.9)

Рис.7.9. Комбинированная стабилизация тока покоя транзистора в УК:

(−35) = 3,864 мА

(+40) = 4,183 мА

∆ = (+40) − (−35) =

Таблица 7.10 Температурная нестабильность схемы (рис.7.9):

,Ом
,Ом
(−35),мА	3,864	2,151	1,495	3,585	2,057	1,446	3,343	1,970	1,400
(+40),мА	4,183	2,342	1,632	3,886	2,242	1,580	3,629	2,149	1,531
∆ , мА	0,319	0,191	0,137	0,301	0,185	0,134	0,286	0,179	0,131

 

Вывод: после исследования температурной нестабильности схемы (рис. 7.9), было выяснено, что при увеличении значений , при постоянных значениях уменьшается диапазон изменения тока коллектора для заданного диапазона температур.