Тема: Определение оптимального режима работы биполярного транзистора КТ315Ж

Министерство образования и науки РФ

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра ЭВМ

Курсовая работа

«Определение оптимального режима работы биполярного транзистора КТ315Ж»

по предмету

«Электротехника и электроника»

Выполнил:

студент гр.

Проверил:

Рязань 2012

Вариант 9

Цель работы:

Изучить режим работы биполярного транзистора КТ315Ж в схеме с общим эмиттером. Определить оптимальный режим по постоянному току при усилении гармонического сигнала.

Ход работы:

1. Параметры транзистора КТ315Ж:

Таблица1 Транзистор Uкэ

доп, В Iк max,

мА Рк доп, мВт IК0, мкА Ииэ h21Э/

при f,

МГц Скэ,

пФ fгр,

МГц  КТ315Ж 15 50 100 10,0 50/250 1,5/10 7 15  

Построим вольт-амперные характеристики транзистора. Для этого соберем следующую схему:

Рисунок 1. Схема для снятия характеристик транзистора

При ЕК = 5 В определим Iбmax, при котором IК был бы в диапазоне 8–12 мА:

Iбmax=140 мкА.

Построим входную ВАХ транзистора.

Таблица 2 UКЭ=5 В Iб, мкА 0 14 28 42 56 70 84 98 112 126 140   UБЭ, мВ 45 509 581 621 649 668 683 695 705 713 720  

Рисунок 2. Входная ВАХ транзистора

Определим семейство выходных ВАХ транзистора. Возьмем приращение тока базы:

?Iб=Iбmax/5=140/5=28 мкА.

Таблица 3

UКЭ(В) 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 15  Iб = ?Iб 0,01 0,03 0,05 0,06 0,06 0,07 0,08 0,09  Iб = 2?Iб 0,16 0,46 0,73 0,76 0,78 0,85 0,96 1,07  Iб = 3?Iб 0,54 1,76 2,56 2,65 2,72 2,95 3,33 3,71  Iб = 4?Iб 1,07 3,84 5,25 5,41 5,56 6,02 6,79 7,56  Iб = 5?Iб 1,67 6,36 8,33 8,55 8,79 9,52 10,74 11,96  

Рисунок 2. Семейство выходных ВАХ транзистора

2. Расчет положения рабочей точки:

На коллекторных характеристиках транзистора, проведем нагрузочную прямую. Величину ЕК выберем 12 В из диапазона 9?15 В, ток насыщения IКНАС выберем 8 мА вблизи перегиба коллекторной характеристики. Нагрузочная характеристика будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 3. Нагрузочная прямая, расчетное и фактическое положение рабочей точки на выходной ВАХ в номинальном режиме, режиме насыщения и режиме отсечки

Рассчитаем сопротивление коллектора:

RК=ЕК / IКНАС=12 / 0,008=1500 Ом

Значение из ряда Е12:

RК = 1500 Ом.

Определим положение рабочей точки:

UКРТ = (0,4 ? 0,5)ЕК=4,8?6=6 B

IК = (ЕК –UКРТ)/ RК=(12–6)/1500=0,004 A = 4 мА

По выходным и входным характеристикам транзистора (рисунки 3 и 6) определим:

Iб РТ =93 мкА

Uб РТ=0,691 В

Рассчитаем ток делителя базы:

IД=(4?6)* Iб РТ =5*93=465 мкА

Рассчитаем делитель в цепи базы:

Rб2 = UбЭРТ /(IД –IбРТ) =0,691 / (0,000465–0,000093) = 1858 Ом ? 1,86 кОм

Rб1 = (ЕК–UбЭРТ)/IД = (12–0,691) / 0,000465=24320 Ом ? 24,3 кОм

3. Cоберем схему усилительного каскада (рисунок 4). Установим С1=10мкФ, С2=10мкФ, Rн=Rк, частоту источника сигнала 10 кГц, напряжение на входе EС=1 мВ.

Рисунок 4. Схема усилительного каскада

Рисунок 5. Схема эксперимента

4. Включим режим моделирования и запишем значения:

IК=4,023 мА

UКЭ=5,966 В

Iб =93,59 мкА

UбЭ=691,5 мВ

Нанесем на выходные и входные характеристики транзистора фактическое положение рабочей точки (рисунки 3 и 6).

Рисунок 5. Расчетное и фактическое положение рабочей точки на входной ВАХ в номинальном режиме, режиме насыщения и режиме отсечки

5. Установим значение напряжения UН ? ЕК / 8 = 12 / 8 = 1,5 ? 2 В, изменяя EС:

EСНОМ = 22 мВ, UН =2,028 В.

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:

К = UН / ЕС = 2,028 / 0,022 = 92.

Снимем осциллограммы напряжений на коллекторе и входного сигнала.

Результаты запишем в таблицу 4.

Таблица 4 t, мкС Ec,мВ UКЭ, В  0 0,00 5,96  7 13,63 4,44  14 23,91 2,97  21 29,96 1,99  28 30,19 1,95  35 24,76 2,84  42 14,71 4,29  49 1,91 5,75  56 -11,28 6,87  63 -22,42 7,54  70 -29,65 7,87  77 -30,63 7,91  84 -26,01 7,72  91 -16,44 7,20  98 -3,84 6,28  

По данным таблицы строим график:

Рисунок 7. Графики входного сигнала и выходного напряжения на коллекторе в номинальном режиме, в режиме насыщения и в режиме отсечки

По графику можно сделать вывод, что схема с общим эмиттером инвертирует входной сигнал, при этом искажений сигнала на выходе практически нет.

6. При EС = 0 В уменьшим сопротивление резистора Rб1 так, чтобы транзистор был близок к режиму насыщения (UКЭ ? 0,1Ек ? 1,2 В).

Rб1=22,2 кОм, UКЭ = 1,495 В, Iб =125,6 мкА, IК=7,004 мА, UБЭ=712,1 мВ.

Отметим местоположение рабочей точки на характеристиках транзистора (рисунки 3 и 6).

Установим ЕС = ЕСНОМ = 0,022 В. Тогда UКЭ = 2,402 В.

Коэффициент усиления: K = 2,402 / 0,022 = 109.

Снимем осциллограммы напряжения на коллекторе.

Результаты запишем в таблицу 5:

Таблица 5 t, мкС Ec,мВ UКЭ, В  0 0,00 1,48  7 13,63 0,10  14 23,91 0,07  21 29,96 0,06  28 30,19 0,06  35 24,76 0,07  42 14,71 0,40  49 1,91 2,06  56 -11,28 3,46  63 -22,42 4,46  70 -29,65 4,94  77 -30,63 5,00  84 -26,01 4,69  91 -16,44 3,93  98 -3,84 2,62  

По данным таблицы строим график (рисунок 7).

По графику видно, что транзистор в режиме насыщения искажает нижнюю часть выходного сигнала. При этом увеличился коэффициент усиления из-за меньшего входного сопротивления транзистора в этом режиме, а также незначительного уменьшения сопротивления делителя.

7. При EС=0 В увеличим сопротивление резистора Rб1 так, чтобы транзистор был близок к режиму отсечки:

Rб1=28 кОм, UКЭ = 10,51 В, Iб =56,34 мкА, IК=0,991 мА, UбЭ=649,2 мВ.

Отметим местоположение рабочей точки на характеристиках транзистора (рисунки 3 и 6).

Установим ЕС = ЕСНОМ = 0,022 В. Тогда UКЭ = 0,6496 В.

Коэффициент усиления: K = 0,6496 / 0,022 = 30.

Снимем осциллограммы напряжения на коллекторе.

Результаты запишем в таблицу 6.

Таблица 6 t, мкС Ec,мВ UКЭ, В  0 0,00 10,51  7 13,63 10,06  14 23,91 9,51  21 29,96 9,14  28 30,19 9,11  35 24,76 9,49  42 14,71 9,98  49 1,91 10,45  56 -11,28 10,75  63 -22,42 10,93  70 -29,65 11,00  77 -30,63 11,02  84 -26,01 10,97  91 -16,44 10,85  98 -3,84 10,60  

По данным таблицы строим график (рисунок 7).

В режиме отсечки наблюдаются искажения верхней части сигнала и уменьшение коэффициента усиления из-за увеличения внутреннего сопротивления транзистора.

8. Увеличим значение входного сигнала значений ЕС = ЗЕСНОМ. :

ЕС=0,066 В, UН = 3,436 В, К = 3,436 / 0,066 = 52.

Снимем осциллограммы напряжения на коллекторе. Результаты запишем в таблицу 7.

Таблица 7 t, мкС Ec,В UКЭ, В  0 0 5,93  7 40,89 0,37  14 71,73 0,06  21 89,88 0,05  28 90,57 0,06  35 74,28 0,08  42 44,13 1,75  49 5,73 6,68  56 -33,84 8,30  63 -67,26 8,78  70 -88,95 8,91  77 -91,89 8,88  84 -78,03 8,90  91 -49,32 8,57  98 -11,52 7,53  

По данным таблицы строим график:

Рисунок 8. Графики входного сигнала и выходного напряжения на коллекторе в номинальном режиме и в режиме большого сигнала

В режиме работы с большим входным сигналом, сигнал на выходе имеет искаженную форму. Это вызвано тем, что при больших амплитудах входного сигнала транзистор заходит в области отсечки и насыщения, даже если среднее положение его рабочей точки находится в центре нагрузочной прямой.

Выводы:

В ходе работы были режимы работы биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. По результатам работы можно сказать следующее:

Выбирать рабочую точку необходимо на середине нагрузочной прямой, если на вход подается симметричный сигнал. Это обеспечит наименьшие нелинейные искажения выходного сигнала.

Если рабочая точка находится в середине нагрузочной прямой, при малых входных сигналах нелинейные искажения выходного сигнала минимальны, но КПД усилителя невелик.

Когда рабочая точка находится в режимах близких к отсечке или насыщению, на выходе схемы наблюдаются искажения формы сигнала и изменения коэффициента усиления, связанные с изменением сопротивления базового делителя и с изменением входного сопротивления транзистора.

При слишком больших входных сигналах на выходе схемы присутствуют сильные нелинейные искажения, а также понижается коэффициент усиления.