568_Arkhipov_s._N._Skhemotekhnika_telekommunikatsionnykh_ustrojstv_

г) после проведения измерений для заданного варианта схемы окно Analysis Graphs закрывается, производится изменение параметров для следующего варианта и процесс измерений, описанный в а, б, в повторяется.

Для всех вариантов отобразить в отчете форму логарифмический АЧХ и положения курсоров для измерения граничных частот.

На рис. 4.3 показан пример построения ЛАЧХ и ЛФЧХ с применением опции «Analysis Graphs».

Рис. 4.3. Пример исследования ЛАЧХ с применением окна Analysis Graphs

3. Исследовать переходную характеристику каскада в области малых времен (tи = 5 мкс).

Измерения производятся с помощью осциллографа при подачи прямо-

угольных импульсов с частотой f= 100 кГц и амплитудой Um ист = 20 мВ на вход исследуемого усилителя.

Перед проведением измерений необходимо открыть окно многофункционального генератора, для чего дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме на схеме лабораторной установки. После этого выбрать прямоугольную форму сигнала, значение амплитуды (в поле Аmplitude) и частоты следования импульсов (в поле Frequency). Обратить внимание на единицы измерения.

Исследовать переходные характеристики для следующих вариантов:

31

а) без коррекции и без обратной связи по переменному току (С5 вклю-

чен):

–при номинальных значениях элементов (указанных в табл. 4.1);

–при увеличении емкости нагрузки (С3) в 1,5 раза;

б) с эмиттерной высокочастотной коррекцией (С5 выключен, С4 включен) при номинальном значении емкости нагрузки (указанной в табл. 4.1);

Для всех вариантов отобразить в отчете форму выходного сигнала и положения курсоров для измерения времени установления импульса.

Указание. Анализ переходной характеристики производится в следующем порядке.

двойным щелчком левой кнопки мыши на пиктограмме открыть расширенное окно осциллографа;

включить схему с помощью переключателя . Для измерения временных параметров нужно остановить процесс моделирования повторным

нажатием на переключатель или кнопку Pause;

установить развертку по оси времени (ячейка «Time base») таким образом, чтобы на экране осциллографа подробно рассмотреть форму выходного напряжения в течение одного периода сигнала (рекомендуемое значение – 1 s/div). Кроме этого, следует установить удобные значения масштабов напряжения по каналам «А» и «В» (соответственно для входного и выходного сигналов). Масштаб по оси напряжений (mV/div) устанавливается таким образом, чтобы амплитуда импульсов была максимальной, но сигнал не выходил за пределы экрана (иначе форма сигнала будет искажена). Для удобства измерения можно сместить сигналы относительно друг друга, используя регулировки в ячейке «Y-position». Пример расширенного окна осциллографа показан на рис. 4.4.

По аналогии с исследованием частотных характеристик, в расширенном окне осциллографа можно использовать курсоры для измерения временных па-

раметров. Для определения времени установления (tуст), характеризующего длительность (крутизну) переднего фронта, первый курсор устанавливается на уровень 0.1 Uуст, а второй – на уровень 0.9 Uуст, где Uуст – установившееся значение, под которым понимается значение напряжения в конце импульса.

Тогда временной интервал, показанный в соответствующей ячейке «Т2–Т1»

будет составлять искомое значение tуст. Если фронт импульса очень крутой (для схемы с высокочастотной коррекцией), можно «растянуть осциллограмму», уменьшив время развертки в ячейке «Time base».

32

4.Осциллограммы выходного сигнала (при подаче на вход импульсов малой и большой длительности), результаты измерений переходных искажений.

5.Выводы по результатам измерений, сравнение с результатами расчетов. Под выводами понимается сравнительные таблицы измеренных параметров

(коэффициенты усиления, граничные частоты, tуст, общ) для различных вариантов параметров с объяснением механизма влияния компонентов схемы на АЧХ и ПХ.

Вопросы для самопроверки

1.Для схемы резисторного каскада показать пути прохождения постоянных и переменных составляющих токов.

2.Изобразить принципиальную схему двухкаскадного усилителя с рези- сторно-емкостной связью между каскадами. Оба каскада построены по схеме с эмиттерной стабилизацией при включении транзистора с общим эмиттером. Определить сопротивления коллекторной нагрузки по переменному току для транзистора первого каскада.

3.Изобразить упрощенную эквивалентную схему транзистора для широкой полосы частот в системе физических параметров. Объяснить частотные свойства транзистора.

4.Изобразить эквивалентные схемы входной и выходной цепи резисторного каскада усиления для широкой полосы частот. Преобразовать схему для области нижних, средних и верхних частот.

5.По эквивалентной схеме выходной цепи резисторного каскада усиления для области нижних частот объяснить причины частотных и переходных искажений.

6.По эквивалентной схеме выходной цепи резисторного каскада усиления для области верхних частот объяснить причины частотных и переходных искажений.

7.Изобразить переходные характеристики резисторного каскада усиления

вобласти больших и малых времен. Объяснить причины переходных искажений. Какими параметрами они оцениваются?

8.Объяснить действие большой емкости в цепи эмиттера на частотную характеристику.

9.Объяснить действие большой емкости в цепи эмиттера на переходную характеристику.

10.Объяснить действие эмиттерной высокочастотной коррекции с помощью малой емкости в цепи эмиттера на частотную характеристику.

11.Объяснить действие эмиттерной высокочастотной коррекции с помощью малой емкости в цепи эмиттера на переходную характеристику.

34

Лабораторная работа № 5 Исследование трансформаторного каскада на транзисторе

Цель работы: изучить свойства и особенности трансформаторного каскада на биполярном транзисторе с применением лабораторного макета и измерительного оборудования.

Подготовка к работе

1.Изучить следующие вопросы курса:

─использование трансформатора в качестве элемента связи между каскадами, с источником или нагрузкой;

─эквивалентные схемы трансформатора;

─выходной трансформаторный каскад усиления мощности в режиме «А»;

─линейные и нелинейные искажения в трансформаторных каскадах;

─графоаналитический и аналитический методы расчета выходных кас-

кадов.

2.Изучить принципиальную схему исследуемого усилителя (рис. 5.1), подготовиться к работе в лаборатории и составить рабочий листок для занесения в него результатов измерений.

3.Произвести расчеты (см. Прил. 8):

коэффициента трансформации nопт, обеспечивающий оптимальную нагрузку для усилительного элемента (Rвх.трансф = Rк~опт) и максимальную выходную мощность. Определить величину выходной мощности Рн и мощности, рассеиваемой на коллекторе Рк;

коэффициента трансформации трансформатора nсогл, обеспечивающий согласование усилительного элемента с нагрузкой (Rвх.трансф = Rвых.э), и максимальный коэффициент усиления по мощности;

коэффициента частотных искажений, вызываемых трансформатором на верхней и нижней граничных частотах усилителя: fн = 100 Гц; fв = 20 кГц, используя следующие исходные данные: параметры трансформатора:

L1 = 3 Гн; Ls = 0.015 Гн; r1+ r´2= 180 Ом; тр = 0,7 0,9; режим покоя тран-

зистора: Uкэ0 = 10 В; iк0 = 5 мА; выходное сопротивление транзистора

Rвых.э = 12 кОм .

Описание исследуемого усилителя

Схема исследуемого усилителя приведена на рис. 5.1. В исследуемом усилителе транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Резисторы R1, R2 и R3 обеспечивают заданное значение смещения и стабильность тока покоя. Конденсатор C1 – разделительный. Конденсатор С2 позволяет устранить снижение усиления сигнала из-за ООС по переменному току. Сопротивление внешней нагрузки Rн связано с коллекторной цепью транзистора через трансформатор TP.1.

35

Посредством переключателя S2, позволяющим подключить внешнюю нагрузку Rн к различным отводам вторичной обмотки трансформатора, можно получить следующие значения коэффициента трансформации: 0,06; 0,1; 0,15; 0,25; 0,33.

Сигнал от генератора подводится к входной цепи усилителя через резистор Rист, который является эквивалентом сопротивления источника сигнала. С помощью переключателя S1 можно измерить либо ЭДС источника сигнала Еист, либо напряжение на входе усилителя Uвх. К выходным зажимам усилителя подключаются второй вольтметр и осциллограф.

Eп

Рис. 5.1. Трансформаторный каскад на транзисторе

Задание к работе в лаборатории

1.Исследовать зависимость максимальной выходной мощности каскада от коэффициента трансформации выходного трансформатора.

2.Исследовать зависимость коэффициента усиления по мощности каскада от коэффициента трансформации трансформатора.

3.Снять частотную характеристику трансформаторного каскада для коэф-

фициента трансформации nопт, значение которой найдено в п. 1.

Порядок выполнения работы

1.Подключить к исследуемому усилителю измерительные приборы. Генератор к входу 2, вольтметр – к входу 1.

2.Включить питание учебной стойки и измерительных приборов. Проверить напряжение источника питания усилителя «−15 В».

36

3. Исследовать зависимость максимальной выходной мощности усилительного каскада от коэффициента трансформации выходного трансформатора

Pн = f1(n).

Для этого на частоте 1000 Гц снять зависимость максимального неиска-

женного выходного напряжения (Uвых ном) от коэффициента трансформации. При этом уровень входного сигнала следует устанавливать для каждого значения коэффициента трансформации по началу появления заметных искажений формы синусоидального сигнала на выходе.

По известному постоянному сопротивлению нагрузки и измеренным величинам выходного напряжения рассчитать и построить зависимость Pн = f1(n),

на основе которой определить значение nопт, соответствующее максимальной

мощности каскада. Сравнить полученное значение nопт с расчетным.

4. Исследовать зависимость коэффициента усиления по мощности трансформаторного каскада от коэффициента трансформации трансформатора

Kм = f2(n).

Для этого на частоте 1000 Гц снять зависимость выходного напряжения каскада от коэффициента трансформации при постоянном значении входного напряжения каскада. Значение напряжения на входе каскада выбрать не более

0,5 Uвх.ном при n = 0,06.

При расчетах коэффициента усиления по мощности принять входное сопротивление транзистора равным 200 Ом. Построить зависимость Kм = f2(n).

Определить значение nсогл, соответствующее максимальному коэффициенту усиления по мощности, сравнить его с расчетным значением.

5. Снять сквозную частотную характеристику каскада Uвых(f). Для nопт. ЭДС источника сигнала Еист необходимо поддерживать постоянной, не выше

0,5 Eист ном, найденного для значения nопт. Рекомендуемые частоты: 60, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10 000, 20 000, 40 000 Гц, 80 000 Гц.

Содержание отчета

1.Принципиальная схема исследуемого усилителя с указанием обозначений и номинальных величин элементов.

2.Результаты предварительного расчета.

3.Таблицы с экспериментальными данными.

4.Графики полученных зависимостей максимальной выходной мощности неискаженного сигнала и коэффициента усиления по мощности от коэффициента трансформации выходного трансформатора.

варительного расчета с объяснением формы полученных зависимостей.

37

Контрольные вопросы

1.Достоинства, недостатки и области применения трансформаторного каскада. Назначение трансформатора.

2.Сквозная динамическая характеристика транзисторного каскада. Возникновение нелинейных искажений в каскаде.

3.Режимы «А», «В». Сущность, достоинства и недостатки каждого режима, области использования.

4.Начертить схему трансформаторного каскада с ОЭ и с эмиттерной стабилизацией режима. Показать пути прохождения постоянных в переменных составляющих входного и выходного токов.

5.Отличия условий работы транзистора в каскаде усиления мощности от условий в каскаде предварительного усиления (по постоянному току).

6.Какие последствия вызывает уход точки покоя при повышении температуры в трансформаторном каскаде? Сравнить с резисторным каскадом.

7.Как при расчете трансформаторного каскада выбирается точка покоя, сопротивление нагрузки переменному току, величины входного и выходного сигналов? Сравнить выходной каскад с каскадом предварительного усиления.

8.Эквивалентная схема трансформатора. Частотная характеристика трансформаторного каскада.

9.Что такое оптимальная нагрузка? Объяснить зависимость Pн = f1(n) с применением выходных характеристик транзистора и нагрузочных прямых по переменному току.

10.Что такое режим согласования? Объяснить зависимость Kм = f2(n).

11.На семействе выходных статических характеристиках транзистора изобразить нагрузочные линии по постоянному и переменному току. Показать максимальные амплитуды переменных токов и напряжений. Пояснить расчет коэффициента полезного действия транзистора, работающего в режиме «А».

12.Из каких соображений выбирается коэффициент трансформации в каскаде предварительного усиления (при трансформаторной связи с источником) и

ввыходном каскаде (при трансформаторной связи с нагрузкой)?

38

Лабораторная работа № 6 Исследование транзисторного усилителя мощности с бестрансформаторным двухтактным выходом

Цель работы: исследовать зависимость основных параметров (выходной, потребляемой и рассеиваемой на коллекторе мощностей, коэффициент полезного действия) усилителя с бестрансформаторным выходным каскадом на составных квазикомплементарных транзисторах, работающих в режиме «В», от напряжения сигнала и сопротивления нагрузки с применением лабораторного макета и измерительного оборудования.

Подготовка к работе

1.Изучить следующие вопросы курса:

─особенности и свойства режима «В»;

─бестрансформаторная двухтактная схема выходного каскада в режиме «В»; особенности построения и назначение элементов схемы;

─температурная стабилизация каскадов, работающих в режиме «В»;

─влияние напряжения возбуждения и сопротивления нагрузки на энергетические показатели выходного каскада.

2.Изучить принципиальную схему исследуемого усилителя (рис. 6.1), подготовиться к работе в лаборатории и составить рабочий листок для занесения в него результатов измерений.

3.Произвести графоаналитический расчет режима «В» работы выходных

транзисторов. Определить выходную мощность Рн, мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов 2Рк, мощность, потребляемую от источника питания Р0, коэффициент полезного действия выходной цепи вых.ц (Прил. 9).

Исходные данные для расчета: напряжение источника питания Еп = 15 В; выходные транзисторы VT6, VT7 типа П214. Сопротивление нагрузки выбрать в соответствии с табл. 6.1. Выходные характеристики транзистора П214 приведены в приложении (рис. П.10.1).

Табл. 6.1. Значения сопротивлений нагрузки

Описание схемы исследуемого усилителя

Исследуемый усилитель (рис. 6.1) состоит из четырех каскадов. Входной каскад выполнен по схеме с ОЭ на транзисторе VT1. Напряжение смещения на базу транзистора VT1 подается с помощью делителя напряжения, образованного из резисторов R1 и R2.

39

Резистор R4 является элементом местной и общей обратной связи (ОС), а также эмиттерной стабилизацией тока покоя транзистора VT1. Усиленный сигнал через разделительный конденсатор СЗ подается на второй каскад, выполненный по схеме с ОК на транзисторе VT2. Резисторы R6 и R7 образуют делитель для подачи напряжения смещения на базу VT2. Резистор R8 является эмиттерной нагрузкой и одновременно обеспечивает стабилизацию точки покоя.

В цепи питания первых двух каскадов находится фильтр, образованный из резистора R5 и конденсатора С2 и предназначенный для сглаживания пульсаций напряжения, полученного от выпрямителя и для устранения обратной связи через источник питания.

Третий каскад, выполненный по схеме с ОЭ на транзисторе VT3, является предвыходным и предназначен для возбуждения транзисторов выходного каскада. Напряжение смещения транзистора VT3 получается с помощью делителя напряжения R9 и R10. Резистор R15 является элементом эмиттерной стабилизации тока покоя. Он зашунтирован конденсатором С6 в целях устранения местной ООС по переменному току.

Выходной каскад выполнен на транзисторах VT4, VT6 и VТ5, VT7. Транзисторы VT4, VТ6 образуют составной транзистор, включенный по схеме ОК, структуры p-n-p. Транзисторы VT5, VT7, включенные по схеме ОЭ–ОЭ, образуют составной транзистор структуры n-p-n. В нижнем плече имеется 100 % -ная последовательная ООС по напряжению, придающая ему свойства близкие к свойствам верхнего плеча (эмиттерного повторителя).

Выходной каскад работает в режиме «В» при сравнительно небольшом напряжении смещения, которое образуется на диодах VD1, VD2 за счет прохождения через них постоянного коллекторного тока транзистора VT3.

Коэффициент усиления по напряжению выходного каскада меньше единицы, поэтому напряжение, снимаемое с коллектора VT3, превышает выходное напряжение усилителя

Um.вых.VT3 = Um.бэ VT4-VT6 + Um.н,

где Um.н – амплитуда напряжения сигнала на нагрузке.

40