Лабораторные практикумы / 2 Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемных устройств

3.Покажите пути протекания постоянных токов в каскодном усилителе, реализованного по схеме ОЭ-ОБ при последовательной схеме питания транзисторов.

4.Покажите пути протекания постоянных токов в каскодном усилителе, реализованного по схеме ОЭ-ОБ при параллельной схеме питания транзисторов.

5.Изобразите П –образную эквивалентную схему биполярного транзистора (схему Джиаколетто), включенного по схеме с ОЭ.

6.Изобразите П –образную эквивалентную схему биполярного транзистора (схему Джиаколетто), включенного по схеме с ОБ.

7.Покажите пути протекания переменных токов в каскодном усилителе, реализованного по схеме ОЭ-ОБ при последовательной и параллельной схеме питания транзисторов.

8.Поясните причину уменьшения искажений АЧХ входного каскада при использовании каскодной схемы по сравнению со схемой однотранзисторного усилителя с ОЭ.

9.Сохранятся ли свойства каскодного усилителя, если поменять местами транзисторы, сохранив способ включения?

10.Поясните назначения компонентов в исследуемой каскодной схеме.

7 Краткие теоретические сведения

Как известно [1,3] важной проблемой при построении усилителей резонансного типа является необходимость получения наибольшего коэффициента усиления при сохранении устойчивости. Устойчивость работы усилителей характеризуется :

—отсутствием возможности самовозбуждения усилителя,

—стабильностью формы частотной характеристики усилителя в процессе эксплуата-

ции.

В обоих случаях устойчивость обусловлена существованием паразитной обратной связи из-за:

—общего для всех каскадов источника питания,

—емкостной и магнитной связи между входом и выходом одного или нескольких каскадов,

—проходной проводимости усилительного прибора (внутренней обратной связи). Обратную связь, возникающую за счет неидеальности свойств общего источника пи-

тания, устраняют применением развязывающих фильтров в цепях питания усилительных приборов.

Рациональное размещение деталей, их экранировкой и правильным выполнением печатной платы можно устранить или существенно снизить обратную связь между входом и выходом усилителя, обусловленную взаимным влиянием внешних конструктивных элементов.

Обратную связь, возникающую внутри усилительного прибора устранить полностью нельзя, а можно лишь ослабить, уменьшая коэффициент усиления каскада. Как альтернативный вариант может применяться схема нейтрализации, создающая на входе устройства проводимость, характер частотной зависимости которой противоположен создаваемой внутренней обратной связью усилительного прибора (УП).

Нейтрализация параллельного типа (рис.11.25) представляет собой параллельное соединение двух четырехполюсников: усилительного (УП) и нейтрализующего (Yн), с проводимостью Yн.

610

усилителя: Lсв – катушка связи с контуром предыдущего каскада, Сбл – исключает протекание тока делителя (базы VT1) на землю. Параллельное включение компонентов Rэ Cэ в цепь эмиттера обеспечивает температурную стабилизацию режима работы транзисторов за счет создаваемой на резисторе Rэ отрицательной обратной связью по постоянному току, конденсатор Сб – обеспечивает включение транзистора VT2 по схеме с ОБ, а Rф Cф – фильтр, исключает протекание составляющих частоты сигнала и других переменных составляющих через источник питания. Усиленный сигнал снимается с контура Lк Cк и подается в нагрузку с помощью трансформаторной связи. Выходное сопротивление транзистора VT2 включается в контур Lк Cк с помощью автотрансформаторной связи, уменьшающей влияние УП (VT2) на параметры контура при изменении температуры, старении и других внешних факторах.

Источником переменного сигнала, действующего на входе каскада, является ЭДС, наведенная на Lсв (рис.11.29).

Рис.11.29

Полезной и самой большой по величине тока будет составляющая, протекающая от «+» источника ЭДС через Б-Э переход транзистора VT1, конденсатор Сэ , общая шина и затем через конденсатор Сбл на « — » источника. Другие составляющие переменных токов протекают через компоненты делителя, обладающие существенно большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением Б-Э перехода VT1.

Каскад на транзисторе VT1 является инвертирующим и для указанной полярности на входе усилителя, напряжение, создаваемое управляемым источником коллекторного тока транзистора, будет противофазно входному (рис.11.30)

Рис.11.30

От «+» источника в коллекторной цепи транзистора VT1 ток во внешней цепи, протекает через Сэ (ток эмиттера) складывается из двух составляющих, одна из которых (ток базы транзистора VT2) возвращается к «-» источника через емкость Сб и базо-эмиттерный

613

переход транзистора VT2. Другая составляющая тока эмиттера VT2 (ток коллектора VT1) с общей шины через конденсатор Сф, контур нагрузки усилителя Lк Cк, транзистор VT2, поступает на «-» источника переменного тока.

Переменная составляющая тока коллектора транзистора VT2, являющегося неинвертирующим каскадом, с коэффициентом усиления по току меньше единицы протекает по тем же компонентам, что и ток коллектора транзистора VT1. Отличие состоит лишь в том, что источником является коллекторная цепь транзистора VT2 и направления переменных токов будут противоположны указанным на рис.11.30.

Оценим степень влияния проводимости обратной передачи составного транзистора (обведено на рис.11.30 штриховой линией) на стабильность АЧХ входного каскада.

Как известно [1,3,6] усилительный каскад, вследствие не идеальных свойств УП, обеспечивает не только усиление сигнала, например, с коэффициентом усиления К0, но создает условия для непосредственной передаче мощности с выхода на вход. Роль такого звена играет проводимость обратной передачи Y12 , к которой, при большом коэффициенте уси-

рис.11.31б).

вычной схемой ввода обратной связи (рис.11.31б).

При инвертирующем характере передачи входная проводимость на произвольной частоте

Как показывает соотношение (11.3) проводимость ОС, включенная последовательно, увеличивает значение входной проводимости в (1 +К0) раз, по сравнению с параллельным подключением Y12. Отмеченное явление (эффект Миллера), свойственное инвертирующим схема характерно для схем включения БТ с ОЭ или для полевых транзисторов (ПТ) – с общим истоком. Комплексный характер проводимости ОС, обусловленный емкостью Ск КБ перехода для БТ или емкостью промежутка ЗИ для ПТ, определяет величину емкостной составляющей проводимости ОС на входе транзистора

Свхос значительно превышает емкость коллекторно-базового перехода, а при большом коэффициенте усиления К0 – сравнима с емкостью базо-эмиттеного перехода.

614

Применение составных транзисторов, включенных по схеме ОЭ-ОБ, уменьшает эффект Миллера, что обусловлено применением в качестве нагрузки инвертирующего каскада, включенного по схеме ОЭ, низкого входного сопротивления БТ, включенного по схеме с ОБ. Снижение влияния проводимости ОС Y 12 на параметры входной цепи, можно так же добиться при работе с источником сигнала, обладающим малым выходным сопротивлением, когда подключенная проводимость Y не оказывает влияния на параметры источника.

В неинвертирующем усилительном каскаде (например, схема с ОБ) входное и выход-

воздействие, противоположное ее характеру проводимости (Ск, например, создаст на входе каскада индуктивность, резистор – отрицательную проводимость). Каскады, обладающие значением К0 < 1, например, эмиттерный повторитель, теряют все эффекты, сопровождающие существование двухполюсника ОС вне зависимости от фазовых соотношений в схеме. Это объясняется тем, что большая проводимость базо-эмиттерного перехода, выступающая в схеме в качестве проходной, находится под действием малого разностного

•

напряжения U12 отсюда, протекающий через нее сигнальный ток имеет малое значения.

Рассмотрим влияние проводимости обратной связи на основные характеристики усилителя, реализованного по каскодной схеме и включении на его входе и выходе колебательных контуров.

Коэффициент усиления каскодного соединения ОЭ-ОБ (рис.11.30) определяется K = Kоэ * Коб . Низкое входное сопротивление транзистора VT2, включенного по схеме с

ОБ, являющееся нагрузкой транзистора VT1 обеспечивает малое значение коэффициента усиления каскада ОЭ. Вследствие этого проводимость обратной связи на входе усилителя (Y вхос), обусловленная внутренней ОС в транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, будет невелика. В этом случае будет так же мало и напряжение ОС, поступающее с выхода транзистора VT1 через емкость коллекторного перехода Ск1. Емкость коллекторного перехода Ск2 второго транзистора оказывает слабое влияние на входную проводимость транзистора VT2, т.к. по высокой частоте его база заземлена (через конденсатор Сб). В результате чего каскад с ОЭ в каскодном соединении не обладает усилением по напряжению, и входная проводимость ОС, вносимая в контур предыдущего каскада, определяется

тельный контур ( k св — коэффициент связи между катушками Lк и L св н полагают рав-

ным 0,7…0,9)

m – коэффициент включения в контур транзистора VT2.

Параметры каскодной схемы ОЭ-ОБ, определяемые через малосигнальные параметры транзистора, включенного по схеме с ОЭ, выражаются

615

Как видно из формул (11.5 – 11.8) входное сопротивление каскодной схемы определя-

Каскодная схема не дает выигрыша по усилительным свойствам по сравнению со схемой с ОЭ, но обладает весьма важным преимуществом – обеспечивает хорошую развязку между выходным и входным выводами составного транзистора. Некоторым недостатком можно считать необходимость использования источника питания с повышенным напряжением, однако, этот недостаток легко устраняется применением схемы с параллельным питанием транзисторов (рис11.1).

При выборе УП для каскодных схем в УРЧ используют условие

fY 21 ≥ 2 fmax ,

где f max максимальная частота рабочего диапазона (диапазона радиочастот), fY 21 = fS —

граничная частота по крутизне в схеме с ОЭ (на которой крутизна уменьшается до значения 0,7*S0, S0 – крутизна в области нижних частот).

Граничная частота по крутизне определяется через параметры П – образной модели

Резонансный коэффициент усиления каскодной схемы при использовании двух оди-

m – коэффициент включения транзистора VT2 в колебательный контур, n – коэффициент включения нагрузки (С13, R16) в контур, S – крутизна транзистора (для варианта исполь-

616

зования одинаковых транзисторов) по схеме с ОЭ на рабочей частоте, а значение Rэ – на максимальной частоте рабочего диапазона.

Крутизна транзистора на рабочей частоте определяется

вующее выбранному режиму работы, Iк0 спр — значение тока коллектора, соответствующее режиму измерения параметров транзистора, h21эmin, h21эmax – справочные значения коэффициентов усиления по току при включении транзистора по схеме ОЭ.

Если с целью упрощения конструкции трансформаторов выбрано значение коэффициента включения выходного сопротивления составного транзистора в контур m =1, то коэффициент включения нагрузки n определяется

где g11 сл – входная проводимость следующего каскада (С13,R16).

Устойчивый коэффициент усиления каскодной схемы при включении транзисторов ОЭ-ОБ, ОИ-ОБ или ОИ-ОЗ, ОЭ-ОЗ и коэффициенте устойчивости k у = 0,9 определяется:

где |Y21| = S0, |Y12| ≈ ωCк, |Y22| ≈ ωCк( 1+3/ξ ), ω = ωmax.

В диапазоне умеренно высоких частот для схем ОЭ, ОБ, ОИ, ОЗ Y –параметры схемы замещения имеют следующие значения

где См = 3…5 пФ – емкость монтажа.

Коэффициент оптимального включения выхода составной схемы УП в контур определяется

По своим свойствам составная схема ОИ-ОЗ аналогична схеме ОЭ-ОБ. Смешанное включение ОИ-ОБ или ОИ-ОЭ обеспечивает высокое усиление по мощности, поскольку полевые транзисторы дают высокое усиление по току, а биполярные – по напряжению (при работе на высокоомную нагрузку).

617

Каскодные схемы получили широкое распространение при реализации усилителей как по дискретной, так и по интегральной технологии.

8Литература

1.Радиоприемные устройства: Учебник для вузов/ Н.Н.Фомин, Н.Н.Буга, О.В.Головин и др.; Под ред. Н.Н. Фомина. – М.: Горячая линия -Телеком, 2007. – 520 с.

2.Амелин М.А., Амелина С.А. Программа схемотехнического моделирования MicroCap8. — М.: Горячая линия -Телеком, 2007. – 464 с.

3.Фриск В. В., Логвинов В. В. Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства. Лабораторный практикум на персональном компьютере. – М.: СО-

ЛОН-ПРЕСС, 2008. – 608 с.

4.Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PSpiсe для схемотехнического моделирования на ПЭВМ, в 4-х вып. М.: Радио и связь, 1992.

5.Петухов В.М. Маломощные транзисторы и их зарубежные аналоги. Справочник Т.1.

–М.: КуБК-а, 1997. — 669 с.

6.Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 320 с.

Приложение

Параметры транзисторов Q2 и Q3 (КТ316В)

h21 э = 40…120, Ск = 3 пФ, τк = 800 пс, f T = 800 МГц.

Режим работы транзисторов: Iк02 = Iк03 = 4 мА, U кэ02 = 4, 2 В, U кэ03 = 4, 43 В Параметры контура:

Rое = 150 кОм, L = 340 мкГн, Rн = 3 кОм

Режим измерения параметров транзистора: Iк = 10 мА, U к = 1 В.

618

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12

СИНХРОННЫЙ АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР НА ЯЧЕЙКЕ ГИЛЬБЕРТА

1 Цель работы

Освоить принципы построения аналоговых перемножителей сигналов (АПС) на основе интегральных микросхем, исследовать их свойства при использовании в качестве синхронного амплитудного детектора в радиоприемных устройствах.

2Задание

2.1Изучить способы построения различные варианты построения амплитудных де-

текторов стр. 170 – 188 [1], стр.506 – 522 [3] , стр. 82 – 85 [4], стр.248 – 252 [5], приложе-

ние к лабораторной работе.

Определить во сколько раз амплитуда напряжения огибающей на выходе синхронного детектора отличается при воздействии на его сигнальном входе амплитудно — моду-

лированного колебания с амплитудой несущей Uс10 = 50 мВ и глубиной модуляции m1 = 80% и амплитудой напряжения опорного генератора Uоп = 0,5 В по сравнению со случаем, когда Uс10 = 50 мВ, а Uоп = 50 мВ при условии синхронности и синфазности воздействующих напряжений.

2.2Экспериментальная часть

2.2.1Ввести принципиальную схему синхронного детектора.

2.2.2Обеспечить режимы работы транзисторов перемножителя, параметры источников сигналов и фильтра низкой частоты, подключаемых к выводам детектора, в соответствии

сзаданием (см. п.4.1).

2.2.3Исследовать временные характеристики и спектр сигнала на выходе детектора.

2.2.4Исследовать временные характеристики и спектр сигнала на выходе детектора при детектировании ОАМ.

2.2.5Амплитудные характеристики синхронного детектора.

2.2.6Рассчитать фазовую характеристику синхронного детектора в диапазоне темпера-

тур.

3 Описание схемы синхронного амплитудного детектора на ячейке Гильберта

Аналоговые перемножители сигналов, реализующие нелинейное преобразование, предназначены для выполнения операций умножения, деления, извлечения корня квадратного и др. Наибольшее распространение получили интегральные микросборки, реализующие операции модуляции – демодуляции. Построение и исследование свойств синхронного детектора проводится с применением ИМС К140МА1 [3-5], обладающей обширными функциональными возможностями (рис.12.1)

619