568_Arkhipov_s._N._Skhemotekhnika_telekommunikatsionnykh_ustrojstv_

R12 3к

Рис. 6.1. Принципиальная схема усилителя

41

Для того чтобы обеспечить более полное использование выходных транзисторов при менее мощном транзисторе в предвыходном каскаде, необходимо уменьшить переменный ток, потребляемый резистором, включенным в коллекторную цепь VT3.

Для этого верхний вывод резистора R14 по переменному току с помощью конденсатора С5 присоединен к эмиттеру составного транзистора VT4–VТ6 (резистор R18 можно не учитывать, т. к. его значение весьма мало). В этом случае резистор R14 по переменному току оказывается подключенным параллельно промежутку база – эмиттер составного транзистора. Амплитуда напряжения сигнала на этом промежутке Um.бэ VT4-VT6 значительно меньше амплитуды напряжения на промежутке база – коллектор

Um.бк VT4 – VT6 = Um.бэ VT4 – VT6 + Um.н .

Следовательно, ток сигнала через сопротивление R14

I m R14 = Um.б.бVT4-VT6

R14

при наличии C5 будет значительно меньше, чем в схеме, где этот конденсатор отсутствует. Резистор RI3 устраняет шунтирование выходной цепи усилителя конденсатором C5.

Следует обратить внимание, что для поддержания требуемого режима работы транзисторов выходного каскада требуются две системы стабилизации. Первая из них, обеспечивающая постоянство тока покоя при колебании температуры, осуществляется с помощью диодов VD1 и VD2. Вторая система стабилизации должна поддерживать постоянство коллекторных напряжений на транзисторах VT4–VT6 и VT5–VT7, каждое из которых должно составлять половину напряжения источника питания E0/2. Постоянство коллекторных напряжений достигается с помощью гальванической ООС, параллельной по напряжению, которая обеспечивается за счет резисторов R9 и R10.

Кроме ООС через R9, R10, охватывающей последние два каскада, в исследуемом усилителе предусмотрена общая ООС, последовательная по напряжению, охватывающая все каскады, включаемая с помощью переключателя S1; к элементам цепи этой ООС относятся R11, R12, R4. Прибор, включенный в эмиттерную цепь VT7, служит для измерения среднего значения коллекторного тока выходного каскада.

Задание к работе в лаборатории

1. Измерить зависимость выходной (Рн), потребляемой (P0), рассеиваемой на двух коллекторах (2Рк) мощностей и КПД ( вых.ц) выходных транзисторов от уровня входного сигнала при постоянном сопротивлении нагрузки. Значение сопротивления нагрузки выбрать согласно табл. 6.1.

42

2. Измерить зависимость выходной (Рн), потребляемой (P0), рассеиваемой на двух коллекторах (2Рк) мощностей и КПД (ŋвых.ц ) от изменения сопротивления нагрузки.

3.Найти оптимальное сопротивление Rн опт, при котором выходная мощность максимальна.

4.Снять осциллограммы выходного напряжения для случаев, когда вы-

ходной каскад работает при Uбэ0 ≠ 0 и Uбэ0 = 0.

Порядок выполнения работы

1.Присоединить источник сигнала и измерительные приборы к исследуемому усилителю: выход генератора соединить с гнездом «Вход 2» на контрольной панели, а вольтметр – с гнездом «Вход 1» на панели управления. Осциллограф и другой вольтметр соединить с гнездом «Выход». Установить на генераторе частоту 1000 Гц.

2.Установить при помощи переключателя S3 нужное значение сопротивления нагрузки.

3.Установить переключатель S2 в положении «выключено», ООС за счет цепочки R12, R4 включена при помощи переключателя S1.

4.Включить питание макета и проверить по контрольной панели заданное напряжение источника питания 15 В.

5.Включить измерительную аппаратуру.

Внимание. Перед включением генератора убедиться, что регулировка выходного напряжения находится в крайнем левом положении.

6. Определить номинальное входное напряжение Uвх.ном и соответствующее ему напряжение на нагрузке Uвых.ном.

7. Изменяя входное напряжение от 0,1 Uвх.ном до Uвх.ном сделать 8–10 из-

мерений Uвх и Uвых. Результаты занести в таблицу.

По экспериментальным данным выполняются расчеты зависимостей Рн,

Р0, 2Рк, вых.цот входного сигнала. Расчетные формулы приведены в Прил. 10. 8. Исследовать зависимости мощностей Рн, P0, 2Рк и вых.ц от сопротивле-

ния нагрузки. Для этого снять зависимость Uвых от Rн. Значения сопротивле-

ний нагрузки установить с помощью переключателя S3. Величину Uвх каждый раз устанавливать по началу искажений формы выходного напряжения на экране осциллографа. Данные занести в таблицу. Выполнить расчеты зависи-

мостей Рн, P0, 2Рк и вых.ц от сопротивления нагрузки.

9. Установить значение сопротивления нагрузки равным 3 0м, входное напряжение в пределах 10–20 мВ. Зарисовать форму выходного напряжения при включенном и выключенном S2.

43

Содержание отчета

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

2.Результаты предварительного расчета.

3.Таблицы экспериментальных и расчетных данных и графические зави-

симости Рн, P0, 2Рк, ŋвых.ц от Uвх и Rн.

4. Осциллограммы выходного напряжения усилителя при Uбэ0 ≠ 0 и

Uбэ0 = 0.

5.Анализ результатов (объяснение зависимостей Рн, P0, 2Рк, вых.ц от Uвх

иRн, объяснение искажений формы выходного напряжения при отсутствия

смещения на транзисторах VT4, VT5).

Контрольные вопросы

1.Объяснить назначение элементов принципиальной схемы исследуемого усилителя.

2.Показать цепи температурной стабилизации и пояснить принцип их ра-

боты.

3.Нарисовать схему предвыходного и выходного каскадов на комплементарных транзисторах бестрансформаторного усилителя звуковой частоты с одним источником питания. Пояснить назначение выходной разделительной емкости.

4.Перечислить основные свойства двухтактного усилительного каскада трансформаторного и бестрансформаторного,

5.Объяснить, в чем заключается сущность режимов «А», «В», «АВ». Начертить диаграммы работы транзистора в режимах «А» и «В» с использованием семейства выходных характеристик.

6.Изобразить и объяснить зависимости Рн, P0, 2Рк, вых.ц от напряжения входного сигнала для режимов «А» и «В».

7.Пользуясь выходными характеристиками, для известного Rн определить

Рн, P0, 2Рк и вых.ц.

8. Начертить и объяснить зависимость выходной мощности от сопротивления нагрузки.

44

Лабораторная работа № 7 Исследование резисторного каскада широкополосного усилителя

на полевом транзисторе

Цель работы: исследовать влияние элементов схемы каскада широкополосного усиления на полевом транзисторе с общим истоком на его показатели (коэффициент усиления, частотные и переходные характеристики, площадь усиления) с применением программы компьютерного моделирования Electronics workbench.

Подготовка к работе

1.Изучить следующие вопросы курса:

─цепи питания полевого транзистора;

─назначение элементов принципиальной схемы резисторного каскада на полевом транзисторе;

─принцип действия простой параллельной низкочастотной и высокочастотной коррекции;

─площадь усиления: определение и методика измерения по АЧХ;

─принцип действия низкочастотной коррекции;

─переходные характеристики и искажения в широкополосном усилителе;

─влияние цепей коррекции на переходные характеристики в области малых и больших времен.

2.Изучить принципиальную схему каскада.

3.Выполнить предварительный расчет к лабораторной работе: используя данные принципиальной схемы, рассчитать оптимальные значения L1 и С6 для получения максимально плоской формы АЧХ в области граничных частот (fв и fн). Варианты значений выходной разделительной емкости (С2) и емкости нагрузки С4, указанные в табл. 7.1, выбираются по номеру бригады.

Табл. 7.1. Варианты значений емкостей

Описание схемы лабораторной установки

Принципиальная схема каскада изображена на рис. 7.1.

Исследуемый усилитель выполнен на полевом транзисторе 2П303Б с p-n-переходом и каналом n-типа. Резистор R3 служит для создания начального напряжения смещения на затворе, определяющего положение точки покоя. Подача напряжения смещения на затвор осуществляется через резистор R2. Поскольку через R2 протекает только ток затвора, не превышающий 10-10…10-12 А, то допустимо считать, что ток затвора отсутствует и смещение полностью определяется падением напряжения на резисторе R3. Резистор R3 создает также

45

ООС по постоянному току, которая стабилизирует ток покоя при изменениях температуры и технологическом разбросе параметров элементов.

Резистор R3 может являться элементом отрицательной обратной связи по сигналу (по переменному току), за счет которой уменьшается коэффициент усиления. Для устранения этой ОС в рабочем диапазоне частот параллельно резистору R3 подключается конденсатор большой емкости C3.

Рис. 7.1. Принципиальная схема исследуемого каскада

На входе и выходе каскада находятся разделительные конденсаторы С1 и С2. К внешней нагрузке R4 подключен конденсатор C4, который имитирует влияние емкостной составляющей внешней нагрузки. Резистор R1 представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала.

Спомощью переключателей S1 и S2 выбирается емкость С5 или С6, которые вместе с резистором R6 используются как элементы фильтра в цепи питания. Причем, при подключении малой емкости (С6) фильтрующая цепочка может использоваться для коррекции АЧХ в области нижних частот.

Спомощью переключателей S1, S2 и S3 изменяются параметры выходной цепи схемы. Если переключатели S1 и S2 находятся в положении «выключено»,

аS3 – «включено», то резисторы R5 и R6, соединенные последовательно, образуют элемент связи в стоковой цепи. В этом случае общее сопротивление стоковой цепи по постоянному току возрастает, что приводит к увеличению выходного напряжения.

При замыкании ключа S1 емкость С5 шунтирует сопротивление R6 по переменному току. При этом усиление каскада снижается, но несколько улучшаются частотные свойства усилителя.

46

Если переключатель S2 находится в положении «включено», а S1 и S3 – «выключено», то в стоковую цепь каскада подключаются корректирующие элементы. При этом индуктивность L1 выполняет функцию коррекции в области верхних частот.

Оптимальное значение емкости С6 определяется выражением

В каскадах на полевых транзисторах при больших значениях входного сопротивления входное напряжение практически равно ЭДС источника сигнала. Граничные частоты определяются при частотных искажениях Мн = Мв = 3 дБ. При выполнении условия fн >> fв площадь усиления можно определить как

При расчете площади усиления по (7.3) коэффициент усиления подставляется в относительных единицах (разах).

Задание к работе в лаборатории

1.Ознакомиться с методикой проведения измерений с применением про-

граммы Electronics Workbench.

2.Исследовать амплитудно-частотные характеристики:

схемы без коррекции;

схемы с НЧ– и ВЧ–коррекцией.

3.По экспериментальным данным определить коэффициент усиления по напряжению на средней частоте, граничные частоты при заданных частотных искажениях и площадь усиления.

4.Измерить осциллограммы выходного напряжения и определить время установления импульсов малой длительности для схем:

 без коррекции;  с ВЧ–коррекцией.

5.Измерить осциллограммы выходного напряжения и определить величину неравномерности вершины импульса большой длительности для схем:

 без коррекции;  с НЧ–коррекцией.

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,

47

(либо щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме в линейке меню) а затем из предложенного списка выбрать файл LAB_7.ewb.

2.В соответствии с табл. 7.1 установить требуемые значения выходной разделительной емкости (С2) и емкости нагрузки (С4).

3.Измерить амплитудно-частотные характеристики. Измерения проводятся с помощью Боде-плоттера (см. указание к лабораторной работе № 4) для нескольких вариантов схемы, отличающихся величинами элементов параллельной коррекции.

По измеренным АЧХ определить значения граничных частот fн и fв и определить К(fср). Граничные частоты определяются при допустимых частотных искажениях Мн = Мв = 3 дБ. Рассчитать площадь усиления каскада для каждого из указанных ниже вариантов схемы.

Исследовать следующие варианты АЧХ усилительного каскада: а) для схемы без коррекции:

─переключатель S3 замкнут, S1 и S2 – разомкнуты;

─переключатели S1, S3 замкнуты, S2 – разомкнут.

Впоследнем случае большая емкость фильтра (С5) фактически шунтирует сопротивление R6 по переменному току, уменьшая общее сопротивление в стоковой цепи транзистора. Убедитесь, что уменьшение активного сопротивления нагрузки уменьшает коэффициент усиления, но расширяет частотный диапазон. Определите, как это скажется на площади усиления.

б) для схемы с низкочастотной (С6, R6) и высокочастотной (L1) – коррекцией:

переключатель S2 замкнут, S1 и S3 – разомкнуты;

при аналогичном положении переключателей и оптимальных значениях емкости С6 и индуктивности L1.

Отобразить в отчете форму АЧХ с указанием курсоров при определении граничных частот.

4.Исследовать переходную характеристику каскада в области малых вре-

мен (tи = 10 мкс).

Измерения производятся с помощью осциллографа (см. указание к лабораторной работе № 4) при подачи прямоугольных импульсов с частотой

fс = 50 кГц и амплитудой Um ист = 20 мВ на вход исследуемого усилителя. Перед проведением дальнейших измерений необходимо восстановить

исходные (номинальные, указанные в табл. 7.1) значения элементов. Отобразить в отчете форму выходного сигнала и измерить время установ-

ления импульса для следующих вариантов:

без коррекции (переключатель S3 замкнут, S1 и S2 – разомкнуты);

без коррекции при включении большой емкости фильтра С5 (переключатель S1, S3 замкнуты, S2 – разомкнут);

с коррекцией при номинальных значениях элементов (переключатель S2 замкнут, S1 и S3 – разомкнуты);

48

 с коррекцией при оптимальном значении индуктивности L1опт, рассчитанном для заданного варианта;

5. Исследовать переходную характеристику каскада для области больших времен (tи = 5000 мкс). Измерения производятся с помощью осциллографа при подачи прямоугольных импульсов с частотой f= 100 Гц и амплитудой

Um ист = 20 мВ на вход исследуемого усилителя. Перед проведением измерений необходимо восстановить исходные (номинальные) значения элементов.

С помощью осциллографа измерить ПХ и определить величину неравномерности вершины импульса для следующих вариантов схемы:

○переключатель S3 замкнут, S1 и S2 – разомкнуты (без корректирующих элементов);

○переключатель S1, S3 замкнуты, S2 – разомкнут (включена большая емкость фильтра С5);

○переключатель S2 – замкнут, S1 и S3 – разомкнуты (при номинальном значении емкости фильтра С6,);

○при аналогичном положении переключателей и оптимальной емкости

фильтра С6опт, рассчитанной для заданного варианта.

Отобразить в отчете форму выходного сигнала с указанием значений напряжения для определения относительной неравномерности вершин импульсов.

Содержание отчета

1.Принципиальная схема каскада.

2.Результаты предварительного расчета.

3.Графики амплитудно-частотных характеристик. Граничные частоты и расчет площади усиления для каждого случая. Результаты измерений и расчетов свести в таблицу.

4.Осциллограммы выходных импульсов малой длительности, результаты определения времени установления. Результаты измерений свести в таблицу.

5.Осциллограммы выходных импульсов большой длительности и величины относительной неравномерности вершины импульсов. Результаты измерений свести в таблицу.

6.Выводы по работе (сравнительные таблицы измеренных параметров: ко-

эффициенты усиления, граничные частоты, площади усиления, tуст, общ) для различных вариантов параметров, объяснение механизма работы цепей коррекции и их влияние на площадь усиления.

Вопросы для самопроверки

1. Изобразить принципиальную схему резисторного каскада на полевом транзисторе и пояснить назначение элементов схемы. Показать пути прохождения постоянных и переменных составляющих токов.

49

2.Пояснить работу полевого транзистора в схеме усилительного каскада. Как производится стабилизация режима работы?

3.Изобразить статические характеристики iс = f(Uзи) полевого транзистора, указать, каким образом определяется крутизна.

4.Изобразить эквивалентные схемы выходной цепи каскада для областей нижних, верхних частот. Пояснить причины, вызывающие частотные искажения на низких и высоких частотах.

5.Пояснить причины, вызывающие переходные искажения в области больших и малых времен. Объяснить форму выходных импульсов для схемы без коррекции.

6.Объяснить влияние корректирующих элементов на АЧХ в области низких частот.

7.Объяснить влияние корректирующих элементов на переходную характеристику в области больших времен.

8.Объяснить влияние корректирующей индуктивности L1 на АЧХ (ПХ) в области верхних частот (малых времен).

9.Объяснить, как влияет изменение номиналов элементов схемы на АЧХ и

ПХ (Rc, Cр вых,, Сн).

10.Что такое площадь усиления? Как она определяется по амплитудночастотной характеристике?

11.Пояснить назначение и виды коррекции в каскадах широкополосного и импульсного усиления.

12.Объяснить отличия в форме АЧХ при емкости С5 и С6.

50