568_Arkhipov_s._N._Skhemotekhnika_telekommunikatsionnykh_ustrojstv_

3.Включить питание учебной стойки и измерительных приборов.

4.Проверить напряжение источника питания усилителя c помощью переключателя «Контроль напряжений» и прибора, расположенного на передней панели учебной стойки.

5.Используя переключатель схем S1, образовать схему c эмиттерной стабилизацией. Определить номинальное значение ЭДС источника сигнала

Еист ном (см. Прил. 2). Для дальнейших измерений установить ЭДС источника сигнала Еист 0.5 Еист ном.

6. Для комнатной температуры (T0 = 25 C) измерить значение постоянной составляющей коллекторного тока и выходного напряжения усилителя для исследуемых схем. Прибор для измерения коллекторного тока «Потребляемый ток» расположен на передней панели учебной стойки. В режиме измерения постоянного тока шкала прибора проградуирована от 0 до 10 мА. Результаты измерений занести в табл. 3.1. Для схемы с ЭC рассчитать сквозной коэффициент усиления.

Табл. 3.1. Измерение параметров усилителя

7.Исследовать влияние емкости в цепи эмиттера на сквозной коэффициент усиления. Для этого переключатель S1 установить в положение «3». Измерить выходное напряжение усилителя при включенной и выключенной емкости в цепи эмиттера (переключатель S2). При известной ЭДС источника сигнала, расчетным путем определить сквозной коэффициент усиления.

8.Исследовать влияние температуры на работу схем питания (см. примечание). Для этого образовать схему c ФТБ (S1 в положении «1»). Включить тумблер «Нагрев». Пo мере увеличения температуры Тс, наблюдать форму сигнала на осциллографе и величину выходного напряжения. При появлении искажений

формы сигнала и уменьшении Uвых (примерно в 1,5–2 раза) в схеме с ФТБ, переключатель S1 перевести в положение «2», a затем в положение «3» и сравнить действие схем с КС и ЭС.

Отметить iк0 для схем c ФТБ, КС и ЭС и занести в табл. 3.1. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения для трех схем питания при повышении температуры. Выключить тумблер: «Нагрев».

Примечание: при включенном нагреве характеристики транзистора изменяются очень динамично, поэтому, для сравнения различных вариантов схем питания и стабилизации в одних условиях, измерения коллекторного тока для всех схем необходимо выполнять быстро, визуально сравнив сте-

21

пень искажений гармонического сигнала. Осциллограммы напряжений для схем c ФТБ, КС и ЭС зарисовываются после выключения нагрева (качественно, с учетом степени нелинейных искажений). Не следует допускать перегрева схемы, который может привести к излишним искажениям, вплоть до пропадания сигнала (при уходе точки покоя в режим насыщения). В этом случае необходимо выключить нагрев и спустя 10–15 мин снова исследовать схемы при включении нагрева.

Содержание отчета

1.Исследуемые схемы ФТБ, КС и ЭС с указанием величин элементов.

2.Результаты предварительного расчета.

3.Таблицы с результатами экспериментальных исследований для трех схем питания при двух значениях температуры и осциллограммы выходного напряжения.

4.Выводы по работе (сравнительный анализ работы схем с ФТБ, КС и ЭС при температурной нестабильности, объяснение различий в форме осциллограмм, влияния эмиттерной емкости в схеме с ЭС на коэффициент усиления).

Контрольные вопросы

1.Показать, как изменяются характеристики транзисторов при нагревании и изменении параметров. Перечислить факторы, дестабилизирующие режим работы транзистора.

3.Построить выходные динамические характеристики (нагрузочные прямые) для резисторного каскада по постоянному и переменному току.

4.Изобразить схемы питания транзистора от одного источника с ФТБ, фиксированным напряжением смещения, с коллекторной эмиттерной и комбинированной стабилизацией. Пояснить назначение элементов. Показать пути прохождения постоянных токов.

5.Объяснить назначение смещения. Как оно создается в схемах в ФТБ, КС и ЭС? Каким элементом схемы можно изменить величину смещения?

6.Объяснить действие различных схем питания и стабилизации режима при повышении температуры. Как влияют элементы схемы на стабилизацию

иусиление?

7.Построить временные диаграммы токов и напряжений в узлах схемы с ЭС при подаче на вход напряжения синусоидальной формы.

22

Лабораторная работа № 4 Исследование резисторного каскада предварительного усиления

на биполярном транзисторе

Цель работы: исследовать влияние параметров элементов схемы каскада с эмиттерной стабилизацией на его показатели (коэффициент усиления, частотные и переходные характеристики) с применением программы компью-

терного моделирования Electronics workbench.

Подготовка к работе

1.Изучить следующие вопросы курса:

─цепи питания и схемы смещения транзисторных каскадов усиления;

─свойства и особенности каскадов предварительного усиления;

─назначение элементов принципиальной схемы резисторного каскада;

─амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) резисторного каскада;

─переходные характеристики (ПХ) резисторного каскада;

─эквивалентные схемы и линейные искажения в резисторном каскаде;

─расчетные соотношения для резисторного каскада.

2.Изучить особенности работы с программой Electronics workbench (приложение П10) и принципиальную схему усилителя (рис. 4.1).

3.Для заданной схемы, в соответствии с исходными данными, указанными

втабл. 4.1, рассчитать следующие параметры усилителя:

коэффициент усиления по напряжению, сквозной коэффициент усиления каскада;

коэффициент частотных искажений каскада на частоте 100 Гц, обуслов-

ленных влиянием емкости в цепи эмиттера Сэ (С5) и разделительных конденса-

торов Ср вх (С1) и Ср вых Определить общий коэффициент частотных искажений, вносимых этими элементами. При этом учесть, что выходное сопротивление транзистора значительно больше сопротивления в цепи коллектора R4;

коэффициент частотных искажений Мв на частоте 100 кГц, обусловлен-

ных динамической емкостью Сбэ дин транзистора и емкостью нагрузки Сн (С3). Определить общий коэффициент частотных искажений, вносимых этими элементами.

время установления переднего фронта прямоугольного импульса малой длительности (tи = 5 мкс). При этом считать, что переходные искажения в области малых времен определяется выходной цепью каскада:

относительный спад плоской вершины прямоугольного импульса большой длительности (tи = 2500 мкс) вследствие влияния разделительных емкостей.

Исходные данные для предварительного расчета: транзистор

типа KT3102А с параметрами: h21э = 185, Сбэ дин = 1,8 нФ, fh21э = 1,5 МГц,

23

rб б = 50 Ом; напряжение источника питания Eп = 15 В, ток покоя транзисто-

ра iк0 = 18,6 мА.

Варианты значений входной (С1) и выходной (С2) разделительной емкости, а также емкости нагрузки С3, указанные в табл. 4.1, выбираются по номеру бригады.

Табл. 4.1. Варианты значений емкостей

Указание: в формате Electronics workbench для обозначения единицы измерения [мкФ] используется суффикс [uF], а для [пФ] – суффикс [pF].

Описание схемы исследуемого усилителя

Принципиальная схема резисторного каскада приведена на рис. 4.1.

На схеме транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером. Необходимый режим работы и стабилизации тока коллектора обеспечивается резисторами R2, R3, R5. При этом делитель напряжения R2, R3 создает требуемое напряжение смещения, а R5 предназначен для эмиттерной стабилизации постоянного коллекторного тока транзистора VT1. Через сопротивление R4 подается постоянное питающее напряжение от источника питания на коллектор VT1, кроме того, благодаря R4 усиленный сигнал поступает в нагрузку. Конденсаторы С1 и С2 разделяют по постоянному току входную и выходную цепи усилителя. Конденсатор С5 служит для устранения отрицательной обратной связи по переменному току, создаваемой резистором R5 (для повышения коэффициента усиления). Малая емкость в цепи эмиттера С4 создает частотно-зависимую отрицательную обратную связь, применяемую для коррекции частотной характеристики на верхних частотах. При этом общий коэффициент усиления уменьшается, но значительно расширяется диапазон усиливаемых частот.

Подключение различных емкостей в цепи эмиттера производится с помощью переключателей S1 и S2 нажатием соответствующей клавиши («1» или «2») на клавиатуре. Резистор R1 эквивалентен внутреннему сопротивлению источника сигнала, а R6 является нагрузкой для усилителя. Под нагрузкой для каскада предварительного усиления понимается входное сопротивление следующего усилительного каскада. Конденсатор С3 имитирует влияние емкости нагрузки, в качестве которой может служить входная динамическая емкость транзистора следующего каскада.

В качестве источника сигнала используется многофункциональный генератор (Function Generator), с помощью которого формируется периодический импульсный сигнал для исследования переходных характеристик.

24

На рис. 4.1 открыто окно генератора для контроля и изменения параметров входного сигнала.

Рис. 4.1. Принципиальная схема лабораторной установки в формате Electronics workbench

Боде-плоттер подключен непосредственно к источнику сигнала для исследования сквозных частотных характеристик. Форма сигнала, формируемого генератором, при измерении частотных характеристик не имеет значения, и генератор лишь обозначает точку приложения входного воздействия. Боде-плоттер формирует испытательный гармонический сигнал с частотами, изменяющимися с заданным шагом в пределах выбранного частотного диапазона. При выборе логарифмического масштаба по умолчанию на одну декаду (десятикратное изменение частоты) берется 100 точек (значений частоты). При задании любого (не нулевого!) значения амплитуды входного сигнала генератора передаточные характеристики нелинейных элементов (транзистора) линеаризуются, и далее выполняется частотный анализ. Таким образом, форма полученных частотных характеристик не зависит от амплитуды входного сигнала, но при нулевом входном сигнале частотный анализ не может быть выполнен.

Двухлучевой осциллограф подключен к источнику (канал А) и нагрузке (канал В) для измерения переходных характеристик.

Коэффициент усиления по напряжению в области средних частот определяется по формуле:

Эквивалентное сопротивление нагрузки по переменному току равно параллельному соединению сопротивлений R4 и R6:

25

Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером:

Сквозной коэффициент усиления по напряжению равен произведению коэффициента передачи входной цепи на коэффициент усиления каскада:

Входное сопротивление каскада Rвх, представляет собой параллельное соединение входного сопротивления транзистора Rвх.э и сопротивлений делителя в цепи базы Rб

где Rб – определяется выражением (4.7), а входное сопротивление транзистора

– выражением (4.3).

Эквивалентное сопротивление источника сигнала R ист равно параллельному соединению сопротивлений R1, R2 и R3, т. е.:

R2 R3

Для выходной цепи транзистор может быть представлен в виде эквивалентного генератора напряжения. Сопротивление эквивалентного генератора для области нижних частот (Rэн) представляет собой параллельное соединение сопротивления коллекторной нагрузки R4 и выходного сопротивления транзистора Rвых. Если R4 невелико (много меньше выходного сопротивления транзи-

стора), то Rэн R4. При понижении частоты сопротивление разделительной емкости растет, а ток в цепи и, соответственно, напряжение на нагрузке уменьшается, что приводит к возникновению частотных искажений.

Коэффициент частотных искажений, вносимых разделительными емкостями:

26

Время установления импульса малой длительности

Задание к работе в лаборатории

Для данного усилительного каскада представляет интерес решение трех основных задач:

1. Измерение логарифмических амплитудно-частотных (ЛАЧХ) и фазочастотных (ЛФЧХ) характеристик усилителя с целью исследования влияния реактивных элементов:

без учета влияния отрицательной обратной связи по переменному току (при включении большой емкости в цепь эмиттера);

с частотно-независимой обратной связью (без подключения емкостей в цепи эмиттера транзистора);

с частотно-зависимой обратной связью (при включении малой емкости эмиттера, являющейся элементом высокочастотной коррекции).

По измеренным ЛАЧХ определить граничные частоты fн и fв и коэффици-

ент усиления по напряжению на средней частоте К(fср).

2.Измерение переходных характеристик для вариантов схемы, указанных

вп. 1, и оценка переходных искажений.

По измеренным переходным характеристикам определить время установ-

ления фронта импульса tуст (для импульсов малой длительности) и относительный спад плоской вершины (для импульсов большой длительности).

3. Объяснение результатов компьютерного эксперимента (почему изменяются коэффициенты усиления, причины и механизм возникновения частотных и переходных искажений), сравнение их с теоретическими расчетами и формулировка основных выводов по результатам исследования.

Порядок выполнения работы

1. Запустить программу Electronics Workbench (по указанию преподавателя). После завершения загрузки управляющей оболочки необходимо открыть схему лабораторной установки, для чего выбрать в меню File команду Open

2. Измерить амплитудно-частотные характеристики. Для измерения открыть расширенное окно Боде-плоттера двойным щелчком левой кнопки мыши на пиктограмме .

Измерения проводятся для нескольких вариантов схемы, отличающихся величинами емкостей в цепи эмиттера (С4, С5), а также выходной разделитель-

28

ной емкости (С2) и емкости нагрузки (С3). Подключение различных емкостей в цепи эмиттера производится с помощью переключателей S1 и S2 нажатием соответствующей клавиши («1» или «2») на клавиатуре.

Произвести измерения логарифмической АЧХ для следующих вариантов: а) без коррекции и без обратной связи по переменному току (С5 вклю-

чен):

при номинальных значениях С1, С2 и С3 (указанных в табл. 4.1);

при уменьшении С2 и увеличении С3 (примерно в 1,5–2 раза);

б) для схемы с частотно-независимой обратной связью (С5 и С4 выключены) при номинальных значениях С2 и С3 (указанных в табл. 4.1);

в) с эмиттерной высокочастотной коррекцией (С4 включен, С5 выключен) при номинальных значениях С2 и С3 (указанных в табл. 4.1).

По измеренным АЧХ определить значения граничных частот fн и fв и коэффициент усиления в диапазоне средних частот К(fср). Под средними частотами понимается участок АЧХ, на котором коэффициент усиления не меняется с частотой. Граничные частоты определяются при допустимых частотных искажениях Мн = Мв = 3 дБ относительно К(fср).

Указание. Для проведения частотного анализа – после включения схемы

с помощью переключателя – двойным щелчком мыши открывается окно Боде-плоттера, в котором при выборе опции «Magnitude» и опции «Log» (по вертикальной и горизонтальной оси) появляется ЛАЧХ (или при выборе опции «Phase» – ЛФЧХ) усилителя. Далее устанавливается удобный масштаб по вертикали (коэффициент усиления в дБ). Для выбора диапазона изменения коэффициента усиления в ячейках «F» и «I» с помощью мыши выставляются максимальное и минимальное значения, при которых характеристика полностью находится в пределах экрана Боде-плотера. Для примера на рис. 4.2 показано окно Боде-плотера в режиме просмотра ЛАЧХ (а) и ЛФЧХ (б) с оптимальным выбором параметров, отображающих форму характеристик.

а б

Рис. 4.2. Режимы просмотра характеристик в окне Боде-плотера: ЛАЧХ

(а); ЛФЧХ (б).

После расчета и отображения ЛАЧХ следует выключить схему повторным

нажатием на переключатель . Это делается потому, что при наличии в схеме осциллографа одновременно будет проводиться временной анализ и за-

29

поминаться данные до тех пор, пока не заполнится оперативная память, после чего анализ прекращается и на экран выводится соответствующее уведомление.

В принципе, в окне Боде-плотера заложена возможность выполнения измерений, но в связи с малым масштабом (окно прибора не увеличивается), значительно удобнее это сделать в отдельном графическом окне, используя опцию «Display Graphs», где можно одновременно вывести как ЛАЧХ, так и ЛФЧХ и развернуть окно на весь экран. Для этого достаточно щелкнуть левой

кнопкой мыши на пиктограмме на панели инструментов. При исследовании логарифмических частотных характеристик в режиме Display Graphs выбирается опция «Bode», после чего в окне отобразятся графики ЛАЧХ и ЛФЧХ. Чтобы вывести масштабную сетку и курсоры для определения параметров частотного анализа, выбирается график ЛАЧХ, для чего надо щелкнуть на нем левой кнопкой мыши. После того как выбор сделан, появляется возможность

нанести на график сетку (путем нажатия на пиктограмму ), а также вывести

на график два курсора (путем нажатия на пиктограмму ) для точного определения координат любой точки на кривой частотной характеристики. При вызове курсоров появляется дополнительное окно, в котором отображаются параметры расположения обоих курсоров. Для передвижения курсора надо навести указатель мыши на него и, удерживая левую кнопку мыши, перевести курсор на нужное место.

Вокне Gain будут указаны координаты точек пересечения первого (х1, у1)

ивторого (х2, у2) курсоров с выбранной характеристикой.

Таким образом, перемещая курсоры, можно определить нижнюю и верхнюю частоты, на которых коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ по отношению к коэффициенту передачи на средней частоте. Коэффициент передачи на средней частоте определяется при перемещении одного из курсоров на средний участок АЧХ, где величина К имеет постоянное значение.

После проведения измерений для заданного варианта схемы окно Analysis Graphs закрывается, производится изменение параметров для следующего варианта и процесс измерений повторяется.

Таким образом, анализ АЧХ производится в следующем порядке:

а) двойным щелчком левой кнопки мыши на пиктограмме открыть расширенное окно Боде-плоттера;

б) включить схему с помощью переключателя . После появления частотной характеристики в окне Боде-плоттера выключить схему повторным

нажатием на переключатель ;

в) выбрать функцию Display Graphs. При вызове курсоров появляется дополнительное окно, в котором отображаются параметры расположения обоих курсоров. Окно Analysis Graphs принимает вид, представленный на рис. 4.3.

Перемещая курсоры, определить К(fср), fн, fв.

30