Лабораторный практикум 1. Схемотехника электронных устройств

1.Получить АЧХ усилительного каскада для элементов схемы, указанных на рис. 8.2а. Оценить значение fНЧГР по уровню —3 дБ.

2.Вариацией параметров звена Rф и Сф обеспечить максимально плоскую АЧХ каскада. Оценить fНЧГР

по уровню —3 дБ.

3.Получить переходную характеристику на нагрузке усилительного каскада и оценить величину искажений выходного импульса при максимально плоской АЧХ.

4.Для указанных параметров принципиальной схемы усилителя с НЧ коррекцией за счет ООС (рис.

8.2б), получить АЧХ и оценить значение fНЧГР.

5.Подбором параметров цепи обратной связи обеспечить максимально плоскую АЧХ усилителя.

Оценить значение fНЧГР по уровню -3 дБ.

6.Получить переходную характеристику каскада для случая максимально плоской АЧХ и оценить величину искажений выходного импульса.

4 Описание принципиальной схемы

4а. Схемы высокочастотной коррекции

На рисунках представлены принципиальные схемы усилительных каскадов реализующих принцип

высокочастотной коррекции, основанный на применении специального корректирующего звена

(RLC) или цепочки в эмиттере, использующей явления отрицательной обратной связи (ООС).

Схема широкополосного усилителя с коллекторной коррекцией построена по традиционной схеме резисторного каскада при включении биполярного

транзистора (БТ) по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Резистор R1 отображает внутреннее сопротивление источника сигнала, С1 и СЗ являются разделительными конденсаторами, исключающими протекание постоянных токов от источника сигнала в усилительный каскад и наоборот, а СЗ попадание постоянной составляющей из каскада в нагрузку (R6, С4). Резисторы R2 и R3 являются делителем, обеспечивающим напряжение смешения на базе и протекание базового тока. Цепочка R5С2 используется как цепочка температурной стабилизации, обеспечивающая поддержание режима по постоянному току (рабочую точку) за счет ООС на резисторе R5 вместе с R3 и, сохраняющую высокий коэффициент усиления на

рабочей частоте из-за исключения ООС по переменному току. Резистор R4 выполняет двоякую роль:

элементом, с которого снимается усиленное напряжение, и одновременно является «сопротивлением потерь» в индуктивности LI, входящей в состав колебательного контура. Емкостной составляющей колебательного контура является конденсатор С4, реально отображающий емкость входа следующего каскада, определяемую в основном емкостью базо-эмиттерного перехода.

В схеме широкополосного усилителя с эмиттерной ВЧ коррекцией отсутствует корректирующая индуктивность L, а роль коректирующего звена выполняет дополнительно включенная в эмиттер цепочка R7С5, параметры которой выбраны таким образом, что в области рабочих частот она выполняет роль цепочки ООС по постоянному и переменному токам. С ростом частоты С9 шунтирует R7 и

устраняет ООС по переменному току, увеличивая коэффициент усиления каскада. С резистора R4

снимается усиленное напряжение (часть нагрузки по переменному току). Нагрузкой усилителя является параллельное включение R4, R6, С4. Режимы по постоянному току обоих каскадов выбраны одинаковыми, чтобы можно было легко сравнить эффективность работы различных схем коррекции.

4б. Схемы низкочастотной коррекции

Низкочастотная коррекция обеспечивает расширение полосы пропускания усилителя в нижней части,

улучшая воспроизведение низких частот или снижая искажения переходной характеристики в области больших времен (скол вершины импульса) При этом используются схемы коррекции.

Схема широкополосного ycилителя с НЧ

коррекцией с помощью развязывающих фильтров

представлена на рис.

Принципиальная схема резисторного каскада и назначение компонентов в ней не отличаются от описанных ранее в схеме стандартного резисторного каскада усилителя низкой частоты. Особенностью

является включение развязываюшего фильтра R7, С5 в коллекторную цепь транзистора.

Развязывающие фильтры устанавливается между каскадами в обшую шину питания, т. к. обычно используется один источник для всех узлов какого-либо устройства (например, усилителя). Это позволяет снизить влияние наиболее мощного каскада в многокаскадном усилителе на каскады, обладающие малым уровнем входного воздействия, через общий источник питания. Наличие у реального источника питания конечного внутреннего сопротивления создает на всех делителях переменное напряжение (например, R2,

R3 на базе VT3), сравнимое с напряжением полезного сигнала. Включение таких фильтров существенно снижают взаимное влияние каскадов, и одновременно они могут использоваться как цепочки низкочастотной коррекции, увеличивая усиление каскада в области нижних частот при определенном соотношении С5 и С3. Конденсатор С4 можно исключить из схемы, как не влияющий на частотные свойства каскада в области нижних частот.

Схема усилителя с

коррекцией АЧХ в области

нижних частот включением

частотно-зависимой ООС

реализуется как двухкаскадный усилитель.

При этом первый каскад на биполярном транзисторе VT1

обладает местной отрицательной обратной связью по постоянному и переменному токам, организуемой на резисторе R5.

Цепь обшей обратной связи, охватывающей одновременно оба каскада, создается цепочкой С3, R6.

Развязывающие фильтры в схеме усилителя отсутствуют, чтобы исключить их влияние на АЧХ усилителя. Каждый из транзисторов усилителя, включенных по схеме с ОЭ, поворачивает фазу входного сигнала на 180°. Поэтому фаза напряжения на выходе второго каскада будет отличаться от фазы входного сигнала на 360°. Подача части выходной мощности (напряжения) выходного сигнала на вход первого каскада обеспечивал бы равенство фаз входного и напряжения, т. е. возникала бы положительная ОС,

увеличивающая линейные и нелинейные искажения. Ввод напряжения ОС в эмиттерную цепь транзистора VT1 приводит к противофазному изменению входного и напряжения ОС на промежутке база—эмиттер, создавая ООС. Отрицательная ОС улучшает частотные свойства усилителей, уменьшая

коэффициент усиления. Назначение остальных компонентов принципиальной схемы усилителя рассматривались ранее.

Для сравнения усилительных и частотных свойств каскадов с НЧ коррекцией транзисторы работают в одинаковом режиме (коллекторные токи транзисторов равны).

5 Методические указания по выполнению работы

5.1 Расчетная часть

Расчет fВЧГР проводится с использованием эквивалентной схемы транзистора Джиаколетто и элементов входной цепи следующего каскада, применяя соотношения из раздела 8 лабораторного описания и параметры компонентов принципиальной схемы рис. 1а.

Расчет fНЧГР для схемы частотной коррекции с использованием разделительных фильтров проводится с использованием эквивалентной схемы транзистора и элементов принципиальной схемы каскада (рис. 2а).

5.2 Экспериментальная часть

Частотные свойства резисторного каскада на транзисторе VT1 изучаются с применением моделирования приниипиальной схемы усилителя во всей области частот на ЭВМ с учетом свойств источника сигнала и влияния второго каскада (на транзисторе VT2), полученных при:

•исследовании приниипиальной схемы каскада;

•исследовании полной эквивалентной схемы каскада.

Машинный эксперимент по исследованию свойств резисторного каскада проводится на ПЭВМ с использованием системы схемотехничекого моделирования TINA Pro.

Предполагается, что студенты знакомы с основами работы операционной системы WINDOWS.

При выполнении п. 3.а.1— 3.а.6 следует загрузить систему схемотехнического проектирования TINA Pro и вызвать в главное окно принципиальную схему усилителя с цепочкой коллекторной ВЧ коррекции

(рис.1a), находящуюся в файле VrescorXX.TSC (где XX – номер соответствущего рисунка). В

центральном окне редактора должна появиться принципиальная схема усилителя. Следует убедиться в соответствии параметров вызванной схемы и приведенной в описании (при этом нумерация элементов может отличаться от приведенной на рис. Х. и это не требует редактирования).

Ввод основных компонентов принципиальных схем

Если полученные методические материалы не содержат диска с файлом принципиальной схемы усилителя, то ее следует ввести самостоятельно.

Выбор режимов работы транзисторов по постоянному току

Перед началом анализа оценим режимы работы транзисторов по постоянному току. Для этого в режиме главного окна выбираем команду Анализ и на развернувшемся вниз меню — строку Анализ постоянного тока.

Нажатием пункта выбора Таблица результатов постоянного тока и пробником проверяем значения напряжений в узлах. Убеждаемся, что значения напряжений в узлах схемы соответствуют теоретическим.

Анализ свойств усилителей с ВЧ коррекцией

После этого входим в режим анализа свойств усилителей в частотной области. Для этого, в меню главного окна выбираем команду Анализ и, в

ниспадающем подменю, Режим… После чего устанавливаем в появившемся окне Шаг параметра и Комбинационный шаг. Выбираем в

качестве Объекта управления катушку индуктивности и подтверждаем свой выбор.

—- г

Анализ свойств yсилителей с НЧ коррекцией

Исследование свойств резисторных каскадов с НЧ коррекцией необходимо начать с установки файла VrcsLcor. содержащего необходимые принципиальные схемы или с последовательного ввода элементов принципиальной схемы с корректирующим звеном — развязывающим фильтром, или с цепоч-

кой коррекции за счет внешней ООС.

Перед началом анализа оценим режимы работы транзисторов по постоянному току. Для этого в режиме главного окна выбираем команду Анализ и на развернувшемся вниз меню — строку Анализ постоянного тока.

Нажатием пункта выбора Таблица результатов постоянного тока и пробником проверяем значения напряжений в узлах. Убеждаемся, что значения напряжений в узлах схемы соответствуют теоретическим.

После этого входим в режим анализа свойств усилителей в частотной области. Для этого, в меню главного окна выбираем команду Анализ и, в ниспадающем подменю, Режим… После чего устанавливаем в появившемся окне Шаг параметра и Комбинационный шаг. Выбираем в качестве Объекта управления конденсатор С5 и подтверждаем свой выбор.

В окне Контроля объекта выделения задается следующая информация: Шаг параметра и Тип свип-

сигнала. Аналогичные операции можно произвести и для других объектов управления. Производят расчет АЧХ усилителя нажатием пункта Анализ шумов в меню Анализ.

Аналогичным образом проводят анализ переходных характеристик. Результаты измерений и моделирования занесите в табл. 2.

Таблица 2

6 Содержание отчета

6.1Цель работы.

6.2Принципиальные схемы исследуемых каскадов.

6.3Распечатки АЧХ для исходного варианта значений компонентов и обеспечивающих максимально плоскую АЧХ для случая ВЧ коррекции вместе с таблицей 1.

6.4Распечатку переходной характеристики для параметров схемы, обеспечивающих максимально плоскую АЧХ.

6.5Распечатки АЧХ для исходного варианта значений компонентов у обеспечивающих максимально плоскую АЧХ для случая НЧ коррекции вместе с таблицей 2.

6.6Распечатку переходной характеристики для параметров схемы, обеспечивающих максимально плоскую АЧХ.

6.7Выводы.