Теоретические сведения и методические указания.

Схема усилителя на МОП-транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, показана на рис. 3.1.

 Резистор R_г учитывает сопротивление источника сигнала. Конденсаторы C₁ и C₂ являются разделительными. Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель, определяющий напряжение затвора. Резистор R_и является цепью отрицательной обратной связи.

 Рис. 3.1 Схема усилителя на МОП-транзисторе, включенном по схеме с общим истоком.

 Расчет постоянных составляющих токов и напряжений рассмотрим на примере. В схеме усилителя на рис. 3.1  Параметры транзистора:  Заменяя конденсаторы разрывом, получим расчетную схему, показанную на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Расчетная схема усилителя на МОП-транзисторе.

Решение. Поскольку ток затвора МОП-транзистора равен нулю, напряжение затвора U_з найдем как напряжение на выходе делителя напряжения R1–R2:

Примем, что транзистор находится в режиме насыщения. Если в результате расчетов наши предположения не подтвердятся, мы проведем повторный анализ для триодного режима.

Из уравнения для контура, включающего , R₂ и R_и цепь затвор – исток, получим

Ток стока

Подставляя числовые значения, получим квадратное уравнение

 Корни этого уравнения

 Первый корень не имеет физического смысла, так как в этом случае напряжение стока относительно земли  меньше напряжения затвора. Следовательно, решением является второй корень, т. е.  

Напряжение истока  

Напряжение затвор-исток

Напряжение стока  

 Напряжение стока  следовательно, транзистор работает в режиме насыщения, как мы и предполагали.

 Определим коэффициент усиления переменной составляющей напряжения, воспользовавшись моделью для режима малого сигнала. Исключая постоянный источник и замыкая накоротко зажимы конденсаторов, получаем эквивалентную схему усилителя для малого сигнала (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Эквивалентная схема усилителя для малого сигнала.

 Передаточная проводимость  определяется соотношением .

Сопротивление:

 Напряжение затвор-исток:

Сопротивление R₁₂ составляет несколько МОм и значительно больше сопротивления источника сигнала. Поэтому можно считать, что

Выходное напряжение:

Коэффициент усиления переменной составляющей напряжения:

Биполярные транзисторы имеют большее значение передаточной проводимости  чем полевые транзисторы. Поэтому усилитель на МОП-транзисторе дает меньшее значение  чем усилитель на биполярном транзисторе.

Предварительный расчет.

1. Схемы усилителей показаны на рис. 3.4 и 3.5. Нечетным вариантам соответствует схема на рис. 3.4, четным – схема на рис. 3.5. Значения элементов, соответствующие номеру варианта, приведены в табл. 3.1.

2. Рассчитать постоянные составляющие токов и напряжений МОП-транзистора.

3. Используя данные, полученные в п. 2, рассчитать параметры схемы замещения транзистора для режима малого сигнала.

4. Определить максимальный размах напряжения на выходе усилителя.

5. Результаты расчета записать в отчет.

Рис 3.4. Схема усилителя для нечётных вариантов.

Рис 3.5. Схема усилителя для чётных вариантов.

Таблица 3.1.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему усилителя (рис. 3.6 или 3.7, в зависимости от номера варианта). Установить значения элементов, соответствующие варианту (табл. 3.1).

Рис. 3.6

Рис. 3.7

2. Включить на входе схемы источник синусоидального напряжения VSIN из библиотеки SOURCE.slb. Установить атрибуты источника: DC = 0, АC = 1V, VOFF = 0, VAMPL = {VIN}, FREQ = 1k (рис. 3.8). Скопировать моделируемую цепь в отчет.

Рис. 3.8

3. Определить и записать в отчет постоянные составляющие токов и напряжений транзистора. Для этого выбрать в меню пункт Analysis/Display results on schematics/Enable. Сравнить их с результатами предварительного расчета.

4. В режиме расчета переходных процессов Transient получить и скопировать в отчет графики входного и выходного напряжений. По результатам моделирования определить коэффициент усиления схемы.

5. Построить передаточную (амплитудную) характеристику усилителя  на частоте 1 кГц, изменяя входное напряжение от нулевого значения до величины, при которой наблюдается заметное искажение формы выходного сигнала. Обратить внимание на характер искажений. По передаточной характеристике определить динамический диапазон работы усилителя.

6. Скопировать в отчет временные диаграммы входного и выходного напряжений, соответствующие нелинейному участку передаточной характеристики.

7. С помощью режима расчета частотных характеристик AC Sweep построить и скопировать в отчет амплитудно-частотную характеристику усилителя в диапазоне частот 10 Гц – 10 МГц. Определить верхнюю и нижнюю частоты среза АЧХ.

Контрольные вопросы и задания

1. Опишите принцип действия и характеристики простейших усилителей на МОП транзисторах.

2. Чем вызваны искажения формы выходного сигнала при больших амплитудах u_вх?

3. Какую роль выполняют конденсаторы С₁ и С₂ в схеме усилителя?

4. Для чего служит конденсатор С_и?

5. Как влияют емкости разделительных конденсаторов на частоты среза АЧХ?

6. От каких параметров зависит коэффициент усиления схемы?

7. Как влияет сопротивление нагрузки на коэффициент усиления?

Лабораторная работа №4

Тема работы:Операционные усилители на биполярных транзисторах

Цель работы: Изучение схемотехники и исследование характеристик простейших ОУ на биполярных транзисторах.