МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Исследование резонансного усилителя на биполярном транзисторе

Мурманск

2007

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра радиотехники и

радиотелекоммуникационных систем

Исследование резонансного усилителя на биполярном транзисторе

Методические указания к изучению дисциплины

«Устройства генерирования и формирования сигналов»

для студентов специальности 200700 «РадиотехникаАа»

и курсантов специальности 201300 «Эксплуатация транспортного радиооборудования»

Мурманск

2007

Составители: Суслов Александр Николаевич, старший преподаватель кафедры

радиотехники и телекоммуникационных систем Мурманского

государственного технического университета;

Гурин Алексей Валентинович, старший преподаватель кафедры

радиотехники и телекоммуникационных систем Мурманского

государственного технического университета

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой 21 сентября

2007 г., протокол №1

Рецензент: Н.В. Калитёнков, к.т.н., доцент, зав. кафедрой РТКС Мурманского государственного технического университета

Электронная верстка

Мурманский государственный технический университет, 2007

Оглавление

Введение

Цель работы

Краткие теоретические сведения

Ход работы

Контрольные вопросы

Список литературы

Введение

Изучение работы резонансных усилителей сигналов на биполярных транзисторах предусмотрено программой дисциплины «Устройства генерирования и формирования сигналов» в разделе «Генераторы с внешним возбуждением».

В методических указаниях рассматриваются энергетические соотношения в нелинейных избирательных усилителях сигналов, основные принципы построения усилительных каскадов, особенности различных режимов работы усилителей, даются описания методов их анализа, приведены рекомендации по моделированию работы резонансного усилителя, работающего в режиме с отсечкой тока.

Методические указания предназначены для студентов и курсантов 4-го курса судоводительского факультета дневной и заочной форм обучения.

Цель работы

1. Изучить работу резонансного усилительного каскада на биполярном транзисторе.

2. Исследовать зависимость полезной мощности от угла отсечки для разных соотношений частоты входного сигнала и резонансной частоты нагрузки.

Краткие теоретические сведения

Схема нелинейного резонансного усилителя представлена на рис.1. Главная её особенность состоит в режиме работы усилительного прибора. Сдвигом рабочей точки на вольт-амперной характеристике влево и увеличением амплитуды входного колебания устанавливается режим работы с отсечкой коллекторного тока в транзисторном усилителе или анодного тока в ламповом. Подобный режим представлен на рис. 2.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема резонансного усилителя на биполярном транзисторе (а) и соответствующая ей эквивалентная схема (б)

Рис. 2. Нелинейный режим работы усилительного прибора

В дальнейшем рассматриваются особенности нелинейного режима, характерные для любого типа усилителя. Ток i(t) в выходной цепи усилителя при работе с отсечкой имеет импульсную форму и содержит наряду с постоянной составляющей и полезной первой гармоникой ряд высших гармоник, которые должны быть подавлены (отфильтрованы). Эту задачу решает параллельный колебательный контур, настроенный на частоту ω₀ входного колебания. При резонансе токов эквивалентное сопротивление параллельного контура очень велико и является сопротивлением нагрузки усилителя. По отношению же к высшим гармоникам тока i(t) контур, обладающий достаточно большой добротностью Q, можно рассматривать как короткое замыкание. В результате, несмотря на искаженную импульсную форму тока i(t), на нагрузочном контуре как и в линейном усилителе выделяется напряжение, очень близкое к гармоническому.

Основное преимущество нелинейного режима - относительно высокий к.п.д., под которым понимается отношение колебательной мощности , выделяемой в резонансном контуре, к мощности , потребляемой от источника постоянного тока. Таким образом,

Амплитуда напряжения на контуре U_k может быть доведена до величины, близкой к E₀, а отношение токов при угле отсечки θ=70°…100°. Следовательно, к.п.д. нелинейного усилителя можно довести до величин, близких к 70…80%, между тем как при линейном режиме, когда амплитуда переменной слагающей тока i(t) должна быть по крайней мере в несколько раз меньше тока покоя i(E₀), к.п.д. не превышает нескольких процентов (в резонансных усилителях, применяемых в радиоприемных устройствах, отношение настолько мало, что вопрос о к.п.д. вообще не принимается во внимание).

Из зависимости γ(θ) понятно, что для повышения коэффициента выгодно уменьшать угол отсечки θ. При этом, однако, уменьшается величина I₁ (при заданной величине импульса I_m), что ведет к уменьшению мощности P_~ (мощность P₀ уменьшается быстрее, чем P_~). Поэтому в тех случаях, когда важно максимизировать мощность P_~, угол отсечки доводят до величины порядка 120°, при котором коэффициент α₁(θ) достигает максимума, мирясь при этом с некоторым снижением к.п.д. На практике наиболее распространен режим работы нелинейного усилителя с отсечкой, близкой к 90°.

Обратимся к установлению соотношений между напряжениями и токами основной частоты в нелинейном усилителе.

В первом приближении, если не учитывать обратной реакции выходной цепи на величину тока, т. е. считать, что ток i (t) в основном определяется напряжением на входе усилителя, можно записать

Напомним, что коэффициент имеет смысл крутизны вольт-амперной характеристики на линейном участке. Таким образом,

Схема замещения выходной цепи усилителя представлена на рис.3. Активный элемент замещается генератором импульсного тока, однако напряжение на резонансном контуре создается

только первой гармоникой тока и поэтому определяется выражением

(Знак минус связан с выбранным на схеме рис.3 направлением тока и отсчетом потенциалов относительно заземленной точки схемы.)

Разделив это выражение на Е, получим параметр

(1)

который можно трактовать как среднюю крутизну характеристики для первой гармоники. Таким образом,

I₁=S_срE

В отличие от дифференциальной крутизны, которая определяется в точке и поэтому при работе на нелинейном участке характеристики зависит от рассматриваемого момента времени, параметр S_cp, выраженный через отношение амплитуд тока и напряжения, является как бы усредненным по всему периоду колебания.

Рис.3. Общая схема замещения выходной цепи усилителя: а - работающего с отсечкой тока; б - для первой гармоники импульсного тока.

Понятие средней крутизны имеет смысл, если обеспечивается синусоидальность напряжения на нагрузке (несмотря на сложную форму тока i(t)).

При учете влияния выходного напряжения на ток i(t) выражение (1) должно быть заменено более точным:

(2)

Здесь

(3)

представляет собой внутреннюю проводимость нелинейного элемента, приведенную к току первой гармоники.

Подставляя в (2) , нетрудно получить следующее выражение для коэффициента усиления при работе с отсечкой тока:

При можно пользоваться приближенной формулой

На основании выражения (2) схему замещения выходной цепи усилителя можно привести к виду, представленному на рис.3, б. Символом обозначена комплексная амплитуда напряжения на выходе.

В ней и являются функциями угла отсечки и, следовательно, амплитуды входного напряжения Е.

При θ=0° усилительный прибор полностью заперт и S_cp = 0.

При θ=90°, когда ток имеет форму полуволновых импульсов, ,

а при θ =180° (линейный режим) средняя крутизна S_cp стремится к S.

То обстоятельство, что при изменении амплитуды колебаний изменяются параметры и , следовательно, нарушается пропорциональность между амплитудами на входе и выходе, заставляет трактовать цепь как нелинейную. С другой стороны, сохранение формы колебания (гармонического) позволяет трактовать цепь как линейную (при фиксированной амплитуде).

Такой подход к анализу нелинейных устройств получил название квазилинейного метода. Еще раз следует подчеркнуть, что этот метод применим в тех случаях, когда, несмотря на нелинейность цепи, обеспечивается синусоидальная форма колебаний, причем система рассматривается в стационарном режиме.

Зависимость параметра от амплитуды входного сигнала ограничивает возможности применения нелинейного режима для усиления колебания, в котором информация содержится в огибающей амплитуд (т.е. при амплитудной модуляции). Исключением является режим с отсечкой тока точно в 90°. При U₀=U₁ изменение амплитуды входного напряжения Е приводит лишь к пропорциональному изменению амплитуды импульса тока при сохранении формы импульсов. Таким образом, при работе с отсечкой θ=90° средняя крутизна не зависит от амплитуды входного сигнала и всегда равна 0,5S. При этом коэффициент первой гармоники , т.е. амплитуда первой гармоники равна половине амплитуды импульса.

При усилении частотно-модулированного или фазомодулированного колебания нелинейность усиления не является препятствием (независимо от угла отсечки).

Отмеченные особенности нелинейного режима усиления очень важны и широко используются в практике.

Умножение частоты

Наличие в составе импульсного тока ряда гармоник с частотами, кратными основной частоте возбуждения, позволяет использовать усилитель, работающий с отсечкой тока, в качестве умножителя частоты. Для этого не требуются какие-либо изменения в схеме резонансного усилителя, достаточно лишь нагрузочный колебательный контур настроить на частоту выделяемой гармоники и установить наиболее выгодный для подчеркивания полезной гармоники режим работы активного элемента. Для удвоения частоты выгодно работать с углом отсечки, близким к 60°, при котором коэффициент второй гармоники проходит через максимум, для утроения частоты - с углом отсечки 40° и т. д. Если контур настроен на частоту nω₀, n=2,3…,то гармоники тока порядка n - 1 и более низкие пройдут преимущественно через индуктивную ветвь, а гармоники n + 1 и более высокие – через емкостную ветвь контура. При достаточно высокой добротности напряжение на контуре от всех гармоник, за исключением n-й, очень мало. Поэтому напряжение на контуре близко к гармоническому с частотой nω₀.

Следует иметь в виду, что для полного использования мощности электронного прибора уменьшение угла отсечки должно осуществляться при поддержании неизменного уровня амплитуды импульса. Для этого одновременно с изменением смещения нужно увеличивать амплитуду переменного напряжения на входе Е. На рис.4 углу θ=90° соответствует смещение U₀₁, углу θ=60°- смещение U₀₂ и т. д.; амплитуды E₁, E₂,… выбраны такими, что I_m остается неизменным. Можно поэтому считать, что для умножителя частоты характерен режим работы с большими амплитудами входного напряжения.

Это обстоятельство наряду с уменьшением полезной мощности при повышении порядка умножения из-за убывания коэффициентов α_n существенно ухудшает энергетические соотношения в умножителях.

Схема замещения умножителя частоты внешне не отличается от схемы замещения нелинейного усилителя (см. рис.3, б). Следует лишь по аналогии с выражением (1) под средней крутизной подразумевать

Соответственно и внутреннее сопротивление электронного прибора, приведенное к используемой гармонике, равно

Умножение частоты широко применяется в радиопередающих устройствах с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора. Частота этого генератора выбирается относительно невысокой, в 4 - 12 раз меньшей рабочей частоты передатчика, благодаря чему создаются благоприятные условия для использования пьезоэлектрического эффекта кварцевой пластинки. Умножение частоты осуществляется в последующих каскадах передатчика на малой мощности. Чаще всего применяется удвоение, реже утроение частоты в одном каскаде.

Умножение частоты широко применяется также в ряде измерительных устройств, когда требуется получить сетку частот, кратных какой-либо одной определенной частоте, рассматриваемой в качестве опорной.

Рис. 4. К выбору угла отсечки в умножителе частоты при

различных коэффициентах умножения

Рис. 5. Напряжение на выходе умножителя частоты при невысокой добротности резонансной цепи

В подобных устройствах используется электронный прибор, работающий с очень малым углом отсечки. Подавая на вход достаточно большое переменное напряжение (при большом смещении), можно получить ток в виде последовательности весьма острых импульсов. Такой ток богат гармониками, образующими очень широкий линейчатый спектр. При воздействии этого спектра на контур напряжение на последнем может сильно отличаться от синусоидального, так как в полосу прозрачности контура попадает ряд гармоник. В подобных случаях напряжение на контуре часто удобно определять, исходя не из спектрального представления импульсного тока, а из рассмотрения свободных колебаний, возбуждаемых каждым из импульсов тока в отдельности (рис.5). В промежутке Т между двумя импульсами тока амплитуда напряжения на контуре убывает по закону

,

где ω_св - частота свободных колебаний в контуре; Q - добротность,

Если к началу следующего импульса колебание, вызванное предыдущим импульсом, не успевает полностью затухнуть, необходимо учитывать наложение свободных колебаний.

Намеченная выше картина явлений в умножителе частоты является лишь качественной иллюстрацией сильно нелинейного режима работы усилительного прибора и выделения полезной гармоники с помощью избирательной цепи.