LS-Sb87349
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
_______________________________________
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
_________________________________________
АКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Электронные цепи и микросхемотехника»
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2011
УДК 621.372
Активные электронные цепи: методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электронные цепи и микросхемотехника»/сост. А. К. Шануренко. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 32 с.
Содержат описания четырех лабораторных работ по исследованию электронных устройств различного назначения.
Предназначены для студентов специальности 210105 «Электронные приборы и устройства» и направления 210100 «Электроника и микроэлектроника», обучающихся по очно-заочной (вечерней) и заочной формам обучения.
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011
2
Введение
В настоящих методических указаниях приведены описания четырех лабораторных работ, посвященных изучению квазилинейных (усилитель низкой частоты) и нелинейных (автогенератор, амплитудный модулятор, детектор амплитудно-модулированных колебаний) электронных устройств. Работы выполняются на универсальном стенде. Схема стенда, указания к работе на нем и на применяемых в ходе лабораторных занятий радиоизмерительных приборах имеются на каждом рабочем месте.
Перед началом работы студенты должны ознакомиться с настоящими методическими указаниями, универсальным стендом и пройти инструктаж по технике безопасности. Для допуска к очередной лабораторной работе студент должен знать цель исследования, схемы, основные характеристики и параметры исследуемых электронных устройств, порядок выполнения работы, а также уметь пользоваться необходимыми в данной работе радиоизмерительными приборами.
Включение лабораторной установки может быть произведено только с разрешения преподавателя.
Экспериментальные графики строятся в процессе проведения лабораторной работы. При необходимости производится повторное снятие сомнительных точек. Количество точек измерения выбирается студентами самостоятельно с учетом формы исследуемой характеристики.
По окончании работы черновики подписываются преподавателем и прикладываются к отчету по лабораторной работе. Отчеты должны содержать выводы по проделанной работе.
Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ (УНЧ) С ЕМКОСТНОЙ СВЯЗЬЮ
Цель работы: изучение схемы УНЧ с емкостной связью, экспериментальное исследование его характеристик и анализ влияния параметров схемы на вид этих характеристик.
3
1.1. Общие сведения
Схема с емкостной связью, или резистивная схема является наиболее распространенной в усилителях напряжения различного назначения. Основное ее достоинство – возможность получения незначительных искажений в широком диапазоне частот. Принципиальные схемы УНЧ с емкостной связью на триоде и биполярном транзисторе показаны на рис. 1.1 и 1.2 соответственно.
|
|
VL |
|
|
|
|
|
|
Сс |
|
|
–Eк |
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
Rк |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сс |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн |
Rн |
|
|
|
|
|
VT |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Rс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
U вых |
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
U вых |
Rн |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
Сн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Ea |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Uвх |
|
|
|
|
Rк |
|
Ск |
|
|
|
|
|
|
|
Сэ |
|
|
Rэ |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
|
Uвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сн |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.2 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Здесь Ea , |
Ек напряжения источников питания выходных (анодной и |
||||||||||||||||||||||||
коллекторной) |
цепей; |
|
Ra , Rкл резисторы в выходных цепях усилителей; |
||||||||||||||||||||||
Rк , Cк , Rc |
|
|
цепь |
автоматического |
смещения |
на сетке триода VL; |
|||||||||||||||||||
Rэ, Сэ, R1, |
R2 цепь автоматического смещения и эмиттерной стабилизации |
||||||||||||||||||||||||
рабочей точки на базе транзистора VТ; |
Cc конденсатор связи, служащий |
||||||||||||||||||||||||
для того, чтобы не пропускать постоянную составляющую выходного напряжения в нагрузку; активная и емкостная составляющие
нагрузки; Uвх , Uвых амплитуды входного и выходного напряжений усилительного каскада,
В усилителях, как и в других электронных устройствах, может использоваться фиксированное смещение с помощью отдельного источника питания.
Для лампового и транзисторного УНЧ может быть составлена общая эквивалентная схема, приведенная на рис. 1.3, где S крутизна триода или
4
транзистора в рабочей точке проходной характеристики; Ri внутреннее сопротивление триода или транзистора; R сопротивление в выходной цепи усилителя; C0 суммарная паразитная емкость схемы (емкости нагрузки, монтажная, входная и выходная емкости каскада усиления).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cc |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Ri |
|
|
|
|
|
|
R |
н |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
SU |
вх |
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
С0 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.3
Наличие в усилителе реактивных элементов, приводящее к зависимости напряжений и токов в цепях усилителя от частоты, является причиной образования частотных искажений. Частотные искажения определяются частот-
ной характеристикой, представляющей |
собой |
зависимость |
коэффициента |
|||
усиления каскада от частоты, т. е. зависимость |
|
|
|
j |
, где K |
|
K K ( f ) Ke |
|
|||||
модуль коэффициента усиления каскада, |
фазовый сдвиг, вносимый кас- |
|||||
кадом.
Диапазон усиливаемых частот может быть условно разбит на следующие поддиапазоны:
а) низкие частоты (от десятков до сотен герц), где образуются частотные искажения, причиной которых является частотная зависимость сопротивления разделительной цепи между каскадами RнСс ;
б) верхние частоты (от десятков килогерц и более), где образуются частотные искажения, обусловленные шунтирующим действием емкости схемы C0 .
Анализ эквивалентной схемы (рис. 1.3) приводит к следующему выра-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жению для K : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K0 |
|
|
|
|
||
K f |
|
|
|
|
1 |
|
, |
(1.1) |
|
1 j |
2 f |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 f н |
|
||
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
где К0 |
|
|
|
|
S |
|
|
SRэ модуль коэффициента усиления каскада на ча- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
1 |
|
|
1 |
|
1 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Ri |
|
R |
Rн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
стоте квазирезонанса |
|
f0 |
|
|
1 |
|
(определяет усиление во всем поддиа- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
2 f |
|
в н |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
пазоне средних частот); |
в С0Rэ постоянная времени для верхних частот; |
||||||||||||||||
|
R Ri |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
постоянная времени для нижних частот. |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
н С0 R R Rн |
|
||||||||||||||||
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Из выражения (1.1) можно получить соотношения, определяющие ам- плитудно-частотную характеристику усилителя (АЧХ): K K f и фазочастотную характеристику (ФЧХ): f , причем
|
|
|
K0 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
arctg |
|
2 f |
|
. |
(1.2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 f н |
|
в |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
1 |
2 f |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
2 f н |
|
|
|
|
|
|
|||
Угол показывает, |
что напряжения на выходе и на входе усилителя |
||||||||||||||
меняются в противофазе. АЧХ и ФЧХ усилителя низкой частоты приведены
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на рис. 1.4, где fгр.в |
и |
fгр.н |
||||||||
|
K |
|
|
|
|
|
соответственно, |
верхняя и |
||||||||||||
|
K0 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
нижняя |
граничные |
частоты, |
||||||||||||
|
K0 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
на |
которых |
усиление |
|
по |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
напряжению уменьшается на |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 дБ (в |
2 раз) по сравнению |
|||||||||
0 |
|
f0 |
|
|
|
с |
его значением |
на |
частоте |
|||||||||||
F |
F |
гр.в |
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
φ |
гр.н |
|
|
|
f0 |
, а фазовые сдвиги равны |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
π/2 |
|
|
|
|
|
45о и +45о соответственно: |
||||||||||||||
π/4 |
|
|
|
|
|
|
fгр.в |
1 |
; fгр.н |
|
|
1 |
|
. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 в |
2 |
|
||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|||||||
–π/4 |
|
|
|
|
f |
|
На |
нижних |
и |
верхних |
||||||||||
–π/2 |
|
|
|
|
|
частотах |
|
выражения |
(1.2) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
упрощаются |
и |
принимают |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Рис. 1.4
вид:
6
|
верхние частоты: Kв |
|
|
|
K0 |
|
|
|
; |
в arctg 2 f в ; |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
1 |
2 f в |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
нижние частоты: Kн |
|
|
|
|
K0 |
|
; |
н arctg 2 f н . |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
1 |
2 f н |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Частотные искажения на верхних и на нижних частотах определяются |
|||||||||||||||||||||
коэффициентами: M |
в |
|
Кв |
; |
M |
н |
|
Кн |
. |
|
|
||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
К0 |
|
|
|
|
|
К0 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Кроме частотных характеристик большое значение для УНЧ имеет ам- |
|||||||||||||||||||||
плитудная характеристика К К Uвх (рис. 1.5). |
|
||||||||||||||||||||
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iвых |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Б |
|
K0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iвых 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
Eсм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
|
U |
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 Uвх |
||||
|
|
вх max |
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
|
|
Uвх max |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Рис. 1.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.6 |
||
Уменьшение К при Uвх Uвх max связано с тем, что область изменения
рабочей точки усилителя по входной участка АБ проходной характеристики зистора.
цепи выходит за пределы линейного iвых uвх триода (рис. 1.6) или тран-
1.2. Описание экспериментальной установки
На рис. 1.7 приведена схема установки, позволяющей исследовать резистивные УНЧ с различными активными элементами АЭ (вакуумными триодами или транзисторами), включенными по схеме с общим катодом (эмиттером). Аналогичная схема включения АЭ используется и в других лабораторных работах.
Здесь к(э) – катод (эмиттер), с(б) – сетка (база), а(кл) – анод (коллектор)
– выводы электродов триода (транзистора) соответственно; G генератор низкой частоты; PVвх и PVвых вольтметры для измерения входного и
7
|
|
|
Lб1 |
E |
PV1 |
|
SA1 |
|
Cб1 |
||
|
|
||
|
|
|
|
R1 |
R2 R3 |
R4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Cc1 |
|
|
|
|
|
|
Cc2 |
|
|
Cр |
с(б) |
а(кл) |
|
SA3 |
|
|
|
|
Cc3 |
|
||
|
|
АЭ |
SA2 |
Cc4 |
|
|
|
|
|
|
|
PV |
|
G |
|
|
к(э) |
|
|
вых |
PVвх |
|
|
|
|
||
|
Lб2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
PV2 |
Cб2 |
|
|
C01 |
C02 C03 C04 |
|
|
|
|
|
||
Рис. 1.7
выходного переменных напряжений; Е источник питания выходной цепи активного элемента; Eсм источник смещения на входном электроде активного элемента; R1...R4 набор резисторов в выходной цепи усилителя; Cc1...Cc4 набор конденсаторов связи; C01...C04 набор эквивалентов паразитных емкостей; PV1 и PV2 вольтметры для измерения напряжения источников питания E и Eсм ; SA1, SA2, SA3 четырехпозиционные переключатели; Lб1, Сб1, Lб2, Сб2 дроссели и конденсаторы для блокировки источников питания E и Eсм ; Ср разделительный конденсатор.
1.3.Порядок выполнения работы
1.Ознакомиться со схемой установки для исследования УНЧ, подготовить ее к работе в ламповом или в транзисторном вариантах по согласованию
спреподавателем.
2.На проходной нагрузочной характеристике активного элемента, по-
строенной для выбранной пары величин E и R , определить точку покояEсм , Iвых 0 , лежащую на середине линейного участка (точка О на рис. 1.6).
Установить точку покоя на схеме.
8
3. Снять амплитудные характеристики усилителя при трех значениях R . Частота входного сигнала f 1000 Гц. Наблюдать форму выходного напряжения по осциллографу и определить Uвх , при котором начинается искажение выходного сигнала. Сравнить полученное значение Uвх с тем, которое получается графически по проходным характеристикам.
4. Снять амплитудно-частотные характеристики в области высших частот. Характеристики снимать для двух значений емкости C0 . Сопротивление R одно из выбранных в п. 3. Входное напряжение Uвх поддерживать постоянным. Частоту изменять в пределах 1…200 кГц.
5. Снять амплитудно-частотные характеристики в области низших частот для двух значений емкости Cc . Сопротивление R и напряжение Uвх такие же, как в предыдущем случае. Частоту изменять в пределах 20…1000 Гц.
1.4.Содержание отчета
1.Схема исследования с краткими пояснениями.
2.Определение точки покоя графически по характеристикам активного элемента.
3.Амплитудные характеристики усилителя.
4.Расчетные и экспериментальные амплитудно-частотные характеристики усилителя в сравнении. Определить для каждого случая верхнюю и
fгр.в и fгр.н .
5.Расчетные формулы и таблицы измеренных и рассчитанных величин.
6.Выводы по проделанной работе.
1.5.Контрольные вопросы и задания
1.Объясните принцип действия усилителя низкой частоты.
2.Что называется амплитудной характеристикой усилителя?
3.Как установить точку покоя усилителя?
4.Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику УНЧ.
5.Нарисуйте фазово-частотную характеристику УНЧ.
6.Как определяются верхняя и нижняя граничные частоты усилителя?
9
От чего они зависят?
Лабораторная работа 2.
ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОГЕНЕРАТОРОВ
Цель работы: ознакомление с практическими схемами автогенераторов, изучение их характеристик.
2.1. Общие сведения
Генераторы с самовозбуждением, или автогенераторы обычно выполняются по трехточечной схеме, в которой колебательный контур подключается к активному элементу тремя точками (рис. 2.1).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из рис. 2.1 видно, что автогене- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ратор можно представить как усили- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
а(кл) |
|
|
|
|
|
X1 |
|
|
|
тель с цепью положительной обрат- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
X2 |
|
ной связи. |
Коэффициент усиления |
|||||||||
АЭ |
с(б) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
такого усилителя определятся выра- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
к(э) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жением |
|
|
|
|
К |
|
|
. |
Отсюда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
Xсв |
|
|
К |
св |
|
|
|
|
||||||||
U |
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
вх |
|
о с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 К Ко с |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
условие самовозбуждения записыва- |
|||||||||
|
|
|
Рис. 2.1 |
|
ется в виде |
|
|
|
|
Это соотно- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К Ко с 1. |
|||||||||
шение распадается |
на два: |
баланс |
амплитуд |
К Ко с 1 |
и |
баланс фаз |
||||||||||||||
к о с 2 . Здесь К и Ко с |
модули коэффициента усиления без обрат- |
|||||||||||||||||||
ной связи и коэффициента обратной связи, соответственно, к |
и о с |
фазо- |
||||||||||||||||||
вые сдвиги в цепи обратной связи.
Выполнением баланса амплитуд и баланса фаз обеспечивается равновесное состояние автогенератора. Кроме равновесия автогенератор должен обладать устойчивостью, т. е. автоматически возвращаться в равновесное состояние в случае его нарушения. Для этого нужно, чтобы при увеличении амплитуды колебаний внутреннее сопротивление генератора тоже возрастало.
Выполнение условия баланса фаз возможно при трех различных схемах связи колебательного контура с входным электродом активного элемента:
10