Реферат: Исследования резисторного усилительного каскада
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТОРНОГО
УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АЧХ - амплитудно-частотнаяхарактеристика ;
ПХ - переходная характеристика ;
СЧ - средние частоты ;
НЧ - низкие частоты ;
ВЧ - высокие частоты ;
К - коэффициент усиленияусилителя ;
Uc - напряжение сигнала частотой w;
Cp - разделительный конденсатор;
R1,R2 - сопротивления делителя;
Rк - коллекторное сопротивление;
Rэ - сопротивление в цепи эмиттера ;
Cэ - конденсатор в цепи эмиттера;
Rн - сопротивление нагрузки;
Сн - емкость нагрузки;
S - крутизна трагзистора;
Lк - корректирующая индуктивность;
Rф, Сф - элементы НЧ — коррекции.
1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ .
Цельюнастоящей работы является :
1) изучение работы резисторного каскадав области низких, средних и высоких частот.
2) изучение схем низкочастотной ивысокочастотной коррекции АЧХ усилителя ;
2.ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ .
2.1. Изучить схему резисторногоусилительного каскада, уяснить назначение всех элементов усилителя и их влияниена параметры усилителя (подраздел 3.1).
2.2. Изучить принцип работы ипринципиальные схемы низкочастотной и высокочастотной коррекции АЧХ усилителя (подраздел3.2).
2.3. Уяснить назначение всех элементов налицевой панели лабораторного макета (раздел 4).
2.4. Найти ответы на все контрольныевопросы (раздел 6).
3.РЕЗИСТОРНЫЙ КАСАКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Резисторныеусилительные касакады широко применяются в различных областях радиотехники.Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всей полосе частот,реальный усилитель всегда имеет искажения АЧХ, прежде всего — снижениеусиления на низких и высоких частотах, как показано на рис. 3.1.
/>
Рис.3.1.
Схемарезисторного усилителя переменного тока на биполярном транзисторе по схеме собщим эмиттером представлена на рис. 3.2, где Rc — внутреннеесопротивление источника сигналаUc; R1 и R2 - сопротивленияделителя, задающие рабочую точку транзистора VT1; Rэ — сопротивление в цепи эмиттера, которое шунтируется конденсатором Сэ ; Rк- коллекторное сопротивление; Rн - сопротивление нагрузки; Cp - разделительные конденсаторы, обеспечивающие разделение по постоянному токутранзистора VT1 от цепи сигнала и цепи нагрузки.
/>
Рис.3.2.
Температурнаястабильность рабочей точки возрастает при увеличении Rэ (за счет увеличения глубины отрицательной обратнойсвязи в касакаде на постоянном токе), стабильность рабочей точки также возрастаети при уменьшении R1,R2 (за счет увеличения тока делителя и повышениятемпературной стабилизации потенциала базы VT1). Возможное уменьшение R1,R2 ограничено допустимым снижением входногосопротивления усилителя, а возможное увеличение Rэ ограничено максимально допустимым падениемпостоянного напряжения на сопротивлении эмиттера.
3.1.Анализ работырезисторного усилителя в области низких, средних и высоких частот.
Эквивалентнаясхема выходной цепи усилителя по схеме рис.3.2 представлена на рис. 3.3, где: S — крутизна трагзистора, Uc - входной сигнал, Yi = Y22 -выходная проводимость транзистора, Yк =1/Rк — коллекторнаяпроводимость , Со = Свых + См + Сн , Свых — выходная емкостьтранзистора, См - распределенная паразитная и монтажная емкости, Сн — емкость нагрузки, Ср — разделительный конденсатор, Yн = 1/Rн -проводимость нагрузки. Отметим, что обычно в усилителях проводимости Yi < Yн <Yк (1/Yi > Rн > Rк).
/>
Рис.3.3.
Эквивалентнаясхема получена с учетом того, что на переменном токе шина питания (“-Еп”)и общая точка (“земля”) являются короткозамкнутыми, а также с учетом допущения 1/wCэ << Rэ, когдаможно считать эмиттер VT1 подключеннымна переменном токе к общей точке.
Поведениеусилителя различно в области низких, средних и высоких частот (см.рис. 3.1).На средних частотах (СЧ), где сопротивление разделительного конденсатора Српренебрежимо мало (1/wCр << Rн ), а влиянием емкости Со можно пренебречь, таккак 1/wCо >> Rк,эквивалентная схема усилителя преобразуется в схему рис.3.4.
/>
Рис.3.4.
Изсхемы рис.3.4 следует, что на средних частотах усиление касакада Ко независит от частоты w:
Ко = — S/(Yi+ Yк + Yн ),
откудас учетом1/Yi> Rн > Rк получаем приближенную формулу
Ко »-SRк.
Следовательно,в усилителях с высокоомной нагрузкой номинальный коэффициент усиления Копрямо пропорционален величине сопротивления коллектора Rк.
Вобласти низких частот (НЧ) также можно пренебречь малой емкостью Со, нонеобходимо учесть возрастающее с понижением w сопротивление разделительного конденсатора Ср. Этопозволяет получить из рис. 3.3 эквивалентную схему усилителя на НЧ в видерис.3.5, откуда видно, что конденсатор Ср и сопротивление Rн образуют делитель напряжения, снимаемого с коллекторатранзистора VT1.
/>
Рис.3.5.
Чем ниже частота сигнала w, тем больше емкостное сопротивление Ср (1/wCр ), и тем меньшая часть напряжения попадает на выход,в результате чего происходит снижение усиления. Таким образом, Сропределяет поведение АЧХ усилителя в области НЧ и практически не оказываетвлияния на АЧХ усилителя в области средних и высоких частот. Чем больше Ср,тем менбше искажения АЧХ в области НЧ, а при усилении импульсных сигналов — темменьше искажения импульса в области больших времен (спад плоской части вершиныимпульса), как показано на рис.3.6.
/>
Рис.3.6.
Вобласти высоких частот (ВЧ), как и на СЧ, сопротивление разделительногоконденсатора Ср пренебрежимо мало, при этом определяющим на АЧХусилителя будет наличие емкости Со. Эквивалентная схема усилителя вобласти ВЧ представлена на схеме рис.3.7, откуда видно, что емкость Сошунтирует выходное напряжение Uвых,следовательно с повышением w будет уменьшаться усиление касакада. Дополнительной причиной сниженияусиления на ВЧ является уменьшение крутизны транзистора S по закону:
S(w) = S/(1 + jwt),
где t — постоянная времени транзистора.
/>
Рис.3.7.
Шунтирующеедействие Со будет сказываться меньше при уменьшении сопротивления Rк. Следовательно, для увеличения верхней граничнойчастоты полосы усиливаемых частот необходимо уменьшать коллекторноесопротивление Rк, однако это неизбежно приводит кпропорциональному снижению номинального коэффициента усиления.
3.2. Высокочастотная и низкочастотная коррекции АЧХ резисторного усилителя
Длякорректирования АЧХ реального усилителя с целью её приближения к АЧХидеального усилителя (см рис.3.1) применяют специальные схемы коррекции вобласти НЧ и ВЧ.
СхемаВЧ — коррекции АЧХ при помощи корректирующей индуктивности Lк приведена на рис. 3.8.
/>
Рис.3.8.
Принципработы этой схемы основан на увеличении в области ВЧ сопротивления коллекторной цепи (Rк + jwLк). Увеличение этого сопротивления сростом wпозволяет повысить усиление каскада на ВЧ. Необходимым условием эффективностиработы этой схемы является высокоомность внешнего сопротивления нагрузки Rн >Rк. В противном случае малое сопротивление Rн будет шунтировать коллекторнуюцепь, при этом усиление каскада будет определяться величиной Rн и мало зависеть от Rк и Lк. Эквивалентная схема касакада с ВЧ- корркцией при 1/Yi > Rн > Rк представлена на рис.3.9, откуда следует, что на ВЧ АЧХ корректированногоусилителя близка к частотной характеристике параллельного колебательногоконтура.
/>
Рис.3.9.
Следовательно,при неоптимальном выборе параметров корректирующей индуктивности Lк на АЧХ усилителя может появитьсяподъем, вызывающий искажения усиливаемых сигналов. АЧХ и ПХ усилителя с ВЧ-коррекциейпри оптимальных и неоптимальных параметрах корректирующей индуктивности Lк показаны на рис.3.10.
/>
Рис.3.10.
1. Lк < Lопт 2.Lк = Lопт 3.Lк > Lопт
Видно,что ВЧ-коррекция оказывает влияние только на область ВЧ (область малых времен — фронты импульсов). При Lк> Lопт длительность фронта самаямалая, однако, на выходном импульсном сигнале возникает выброс.
СхемаНЧ-коррекции АЧХ усилителя показана на рис.3.11, где Rф и Сф — элементыНЧ-коррекции, выполняющие попутно и роль НЧ-фильтра в цепи питания транзистораVT1.
/>
Рис.3.11.
Принципработы схемы НЧ-коррекции основан на увеличении сопротивления коллекторнойцепи в области НЧ, поэтому, как и в схеме индуктивной ВЧ-коррекции, даннаясхема эфективна только при высокоомной нагрузке Rн > Rк. Емкостьконденсатора Ср выбирается таким образом, чтобы на средних и высоких частотахвыполнялось 1/wСф << Rф (то есть Сфшунтирует Rф), поэтому цепь Сф, Rф практически не оказывает влияния наработу усилителя на СЧ и ВЧ. На НЧ сопротивление Сф становится большесопротивления Rф, это увеличивает сопротивление коллекторнойцепи и как результат — понижает нижнюю граничную частоту полосы пропусканияусилителя. При этом отношение Rф/Rк определяет максимально возможныйподъем усиления с понижением частоты w, который однако, реально всегда бывает меньше попричине снижения усиления на НЧ из-за разделительного конденсатора Ср.
АЧХ иПХ усилителя при оптимальных и неоптимальных параметрах НЧ-коррекции (1 — безкоррекции, 2 — оптимальная коррекция, 3 — перекоррекция ) приведены нарис.3.12.
/>
Рис.3.12.
4.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ .
В составлабораторной устоновки входят :
1)лабораторныймакет ;
2)лабораторнойблок питания;
3) универсальный вольтмер ( типа В7-15,В7-16 ) .
4) генератор низкочастотных сигналов (типа Г3-56, ГЗ-102 ).
Лабораторный макетсодержит :
а) исследуемыйрезисторный усилитель переменного тока с эмиттерным повторителем на выходе дляобеспечения высокоомности нагрузки усилителя (см. рис. 4.1.).
б) встроенный генераторимпульсных сигналов ( с возможностью регулировки амплитуды и длительностиимпульсов ), расположенный на верхней части корпуса лабораторного макета.
Питаниелабораторного макета осуществляется от источника постоянного напряжения En = +12В. Внешний вид лицевой панелис нанесенной на нее принципиальной схемой лабораторного макета представлен нарис.4.2.
/>/>
Рис. 4.2.
5.ПОРЯДОК РАБОТЫ
5.1.Исследование влиянияразделительного конденсатора на характеристики усилителя.
а) Собратьустановку по схеме рис. 5.1. Все переключатели поставить в исходное 1положение.
/>
Рис. 5.1.
Величину Uвых установить в пределах 10...30 мВдля обеспечения линейного режима работы усилителя. Исследуя зависимость Uвых от частоты f входного сигнала (при неизменнойвеличине Uвх ) получить и построить АЧХусилителя при 2-х значениях емкости Ср (переключатель S4). При исследовании АЧХ рекомндуется предварительно оценитьчастотную область равномерного усиления, где число отсчетов может бытьсокращено до 3...4. В частотных областях изменения АЧХ (НЧ и ВЧ) числоосчетных точек должно быть увеличено до 4...5.
б)Подключить на вход исследуемого усилителя импульсный сигнал с генераторапрямоугольных импульсов (см. раздел 4). Выходное напряжение усилителя контролировать при помощи осциллографа. Зарисовать с экрана осциллографа наодном графике форму импульсов на выходе усилителя (ПХ усилителя ) для двухзначений Ср.
Измеритьвеличину спада плоской части вершины импульса (в %) для двух значений Ср.
Сделатьвыводы о вляинии разделительного конденсатора Ср на характеристики усилителя.
5.2.Исследование влияния коллекторного сопротивления на характеристики усилителя.
Используясхему и методики п.5.1. измерить номинальный коэффициент усиления Ко, снять АЧХи ПХ усилителя для 2-х значений Rк.Построить АЧХ и ПХ усилителя для двух значений Rк.
Сделатьвыводы о влиянии коллекторного сопротивления на характеристики усилителя.
5.3. Исследованиевлияния НЧ-коррекции.
ПереключательS4 поставить в положение,соответствующее меньшему значению Ср. Исследовать АЧХ и ПХ усилителя для 3-хзначений праметров НЧ-коррекции. Построить АЧХ и ПХ усилителя для различныхпараметров НЧ-коррекции.
Сделатьвыводы о влиянии Rф, Сф нахарактеристики усилителя.
5.4. Исследованиевлияния ВЧ-коррекции
ПереключательS1 поставить в положение Rк max, а переключатель S5 в положение 1.
ИсследоватьАЧХ и ПХ усилителя для 3-х значений корректирующей индуктивности Lк. Построить АЧХ и ПХ усилителя дляразличных параметров индуктивной ВЧ-коррекции.
Сделатьвыводы о влиянии Lк нахарактеристики усилителя.
5.5. Оформление отчета олабораторной работе .
Отчетдолжен содержать :
а) схему резисторногоусилителя переменного тока с НЧ и ВЧ коррекцией ;
б) результаты измерений,таблицы и графики, требуемые лабораторными заданиями ;
в) заключение осоответствии полученных результатов теоретическим данным .
6.КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ
1. Элементы температурнойстабилизации рабочей точки транзистора и их выбор.
2. Работа резисторногокасакада в области НЧ.
3. Работа резисторногокасакада в области ВЧ.
4. Влияниеразднлительного конденсатора Ср на характеристики усилителя.
5. Влияние коллекторногосопротивления Rк на верхнюю граничную частоту иноминальный коэффициент усиления.
6. Принцип работыиндуктивной ВЧ — коррекции резисторного усилителя.
7. АЧХ усилителя приоптимальных и неоптимальных параметрах элементов ВЧ — коррекции .
8. ПХ усилителя приоптимальных и неоптимальных параметрах элементов ВЧ — коррекции .
9. Принцип работы НЧ — коррекции резисторного усилителя .
10. АЧХ усилителя приоптимальных и неоптимальных параметрах элементов НЧ — коррекции.
11. ПХ усилителя приоптимальных и неоптимальных параметрах элементов НЧ — коррекции .
7. Л И Т Е Р А Т У Р А .
1. Остапенко Г. С. Усилительные устройства. — М.: Радио и связь, 1989, подразделы 1.4, 1.5, 3.2,4.8.
2. Войшвилло Г. В. Усилительныеустройства. — М.: Радио и связь, 1983, подразделы 4.1.1, 4.7.3, 5.3.1,5.3.3.
3. Мамонкин И. Г.Усилительные устройства. — М. : Связь, 1977, подразделы 6.3, 7.3, 11.3.
/>