Дослідження резисторного підсилювального каскаду

ДОСЛІДЖЕННЯ резисторного

каскадів

ОСНОВНІ УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ І СКОРОЧЕННЯ

АЧХ - амплітудно-частотна характеристика;

ПХ - перехідна характеристика;

СЧ - середні частоти;

НЧ - низькі частоти;

ВЧ - високі частоти;

К - коефіцієнт посилення підсилювача;

Uc - напруга сигналу частотою w;

Cp - розділовий конденсатор;

R 1, R 2 - опору дільника;

R до - колекторне опір;

R е - опір в ланцюзі емітера;

C е - конденсатор в ланцюзі емітера;

R н - опір навантаження;

Сп - ємність навантаження;

S - крутизна трагзістора;

L до - коригувальна індуктивність;

R ф, Сф - елементи НЧ - корекції.

1. Мета роботи.

Метою цієї роботи є:

1) вивчення роботи резисторного каскаду в області низьких, середніх і високих частот.

2) вивчення схем низькочастотної і високочастотної корекції АЧХ підсилювача;

2. Домашнє завдання.

2.1. Вивчити схему резисторного підсилювального каскаду, усвідомити призначення всіх елементів підсилювача і їх вплив на параметри підсилювача (підрозділ 3.1).

2.2. Вивчити принцип роботи і принципові схеми низькочастотної і високочастотної корекції АЧХ підсилювача (підрозділ 3.2).

2.3. Усвідомити призначення всіх елементів на лицьовій панелі лабораторного макета (розділ 4).

2.4. Знайти відповіді на всі контрольні питання (розділ 6).

3. резисторного Й Касакад на біполярних транзисторах

Резисторні підсилювальні Касакад широко застосовуються в різних областях радіотехніки. Ідеальний підсилювач має рівномірну АЧХ у всій смузі частот, реальний підсилювач завжди має спотворення АЧХ, перш за все - зниження посилення на низьких і високих частотах, як показано на рис. 3.1.

Рис.3.1.

Схема резисторного підсилювача змінного струму на біполярному транзисторі за схемою з загальним емітером представлена ​​на рис. 3.2, де Rc - внутрішній опір джерела сигналу Uc; R1 і R2 - опору дільника, що задають робочу точку транзистора VT1; Rе - опір в ланцюзі емітера, яке шунтируется конденсатором Се; Rк - коллекторное опір; Rн - опір навантаження; Cp - розділові конденсатори, що забезпечують поділ по постійному струму транзистора VT1 від ланцюга сигналу і ланцюги навантаження.

Мал. 3.2.

Температурна стабільність робочої точки зростає при збільшенні R е (за рахунок збільшення глибини негативного зворотного зв'язку в Касакад на постійному струмі), стабільність робочої точки також зростає і при зменшенні R 1, R 2 (за рахунок збільшення струму дільника і підвищення температурної стабілізації потенціалу бази VT 1). Можливе зменшення R 1, R 2 обмежена допустимим зниженням вхідного опору підсилювача, а можливе збільшення R е обмежена максимально допустимим падінням постійної напруги на опорі емітера.

3.1. Аналіз роботи резисторного підсилювача в області низьких, середніх і високих частот.

Еквівалентна схема вихідного ланцюга підсилювача за схемою рис.3.2 представлена ​​на рис. 3.3, де: S - крутизна трагзістора, Uc - вхідний сигнал, Yi = Y22 - вихідна провідність транзистора, yк = 1 / Rк - колекторна провідність, З = Свих + См + Сп, Свих - вихідна ємність транзистора, См - розподілена паразитная і монтажна ємності, Сп - ємність навантаження, Ср - розділовий конденсатор, Yн = 1 / R н - провідність навантаження. Відзначимо, що зазвичай в підсилювачах провідності Yi Rн> Rк).

Рис.3.3.

Еквівалентна схема отримана з урахуванням того, що на змінному струмі шина харчування ( "-Е _п") і загальна точка ( "земля") є короткозамкненими, а також з урахуванням допущення 1 / w C е << R е, коли можна вважати емітер VT 1 підключеним на змінному струмі до спільної точки.

Поведінка підсилювача різна в області низьких, середніх і високих частот (див.рис. 3.1). На середніх частотах (СЧ), де опір розподільного конденсатора Ср дуже малий (1 / w C р << R н), а впливом ємності З можна знехтувати, так як 1 / w C про >> R до, еквівалентна схема підсилювача перетворюється в схему рис.3.4.

Рис.3.4.

Зі схеми рис.3.4 випливає, що на середніх частотах посилення Касакад Ко не залежить від частоти w:

Ко = - S / (Yi + Y до + Y н),

звідки з урахуванням 1 / Yi> R н> R приїхати наближену формулу

Ко »- SR к.

Отже, в підсилювачах з високоомній навантаженням номінальний коефіцієнт посилення До прямо пропорційний величині опору колектора R к.

В області низьких частот (НЧ) також можна знехтувати малої ємністю З, але необхідно врахувати зростаючу зі зниженням w опір розподільного конденсатора Порівн. Це дозволяє отримати з рис. 3.3 еквівалентну схему підсилювача на НЧ у вигляді рис.3.5, звідки видно, що конденсатор Ср і опір R н утворюють дільник напруги, що знімається з колектора транзистора VT 1.

Рис.3.5.

Ч ем нижче частота сигналу w, тим більше опір місткості Ср (1 / w C р), і тим менша частина напруги потрапляє на вихід, в результаті чого відбувається зниження посилення. Таким чином, Ср визначає поведінку АЧХ підсилювача в області НЧ і практично не впливає на АЧХ підсилювача в області середніх і високих частот. Чим більше Ср, тим менбше спотворення АЧХ в області НЧ, а при посиленні імпульсних сигналів - тим менше спотворення імпульсу в області великих часів (спад плоскої частини вершини імпульсу), як показано на рис.3.6.

Рис.3.6.

В області високих частот (ВЧ), як і на СЧ, опір розподільного конденсатора Ср дуже малий, при цьому визначальним на АЧХ підсилювача буде наявність ємності Со. Еквівалентна схема підсилювача в області ВЧ представлена на схемі рис.3.7, звідки видно, що ємність З шунтирует вихідна напруга U вих, отже з підвищенням w буде зменшуватися посилення Касакад. Додатковою причиною зниження посилення на ВЧ є зменшення крутизни транзистора S згідно із законом:

S (w) = S / (1 + j w t),

де t - постійна часу транзистора.

Рис.3.7.

Шунтуючі дію З позначатиметься менше при зменшенні опору R к. Отже, для збільшення верхньої граничної частоти смуги підсилюються частот необхідно зменшувати коллекторное опір R до, проте це неминуче призводить до пропорційного зниження номінального коефіцієнта посилення.

3.2. Високочастотна і низькочастотна корекції АЧХ резисторного підсилювача

Для коригування АЧХ реального підсилювача з метою її наближення до АЧХ ідеального підсилювача (див рис.3.1) застосовують спеціальні схеми корекції в області НЧ і ВЧ.

Схема ВЧ - корекції АЧХ за допомогою коректує індуктивності Lк приведена на рис. 3.8.

Рис.3.8.

Принцип роботи цієї схеми заснований на збільшенні в області ВЧ опору колекторної ланцюга (Rк + jwLк). Збільшення цього опору з ростом w дозволяє підвищити посилення каскаду на ВЧ. Необхідною умовою ефективності роботи цієї схеми є високоомними зовнішнього опору навантаження Rн> Rк. В іншому випадку малий опір Rн буде шунтировать колекторний ланцюг, при цьому посилення каскаду буде визначатися величиною Rн і мало залежати від Rк і Lк. Еквівалентна схема Касакад з ВЧ корркціей при 1 / Yi> Rн> Rк представлена ​​на рис.3.9, звідки випливає, що на ВЧ АЧХ корректированного підсилювача близька до частотній характеристиці паралельного коливального контуру.

Рис.3.9.

Отже, при неоптимальном виборі параметрів коректує індуктивності Lк на АЧХ підсилювача може з'явитися підйом, викликає спотворення підсилюються сигналів. АЧХ і ПХ підсилювача з ВЧ-корекцією при оптимальних і неоптимальних параметрах коректує індуктивності Lк показані на рис.3.10.

Рис.3.10.

1. Lк пт 2.Lк = Lопт 3.Lк> Lопт

Видно, що ВЧ-корекція впливає тільки на область ВЧ (область малих часів - фронти імпульсів). При Lк> Lопт тривалість фронту найменша, проте, на вихідному імпульсному сигналі виникає викид.

Схема НЧ-корекції АЧХ підсилювача показана на рис.3.11, де Rф і Сф - елементи НЧ-корекції, виконують попутно і роль НЧ-фільтра в ланцюзі харчування транзистора VT1.

Рис.3.11.

Принцип роботи схеми НЧ-корекції заснований на збільшенні опору колекторної ланцюга в області НЧ, тому, як і в схемі індуктивної ВЧ-корекції, дана схема ефективно тільки при високоомній навантаженні Rн> Rк. Ємність конденсатора Ср вибирається таким чином, щоб на середніх і високих частотах виконувалося 1 / wСф << Rф (тобто Сф шунтирует Rф), тому ланцюг Сф, Rф практично не впливає на роботу підсилювача на СЧ і ВЧ. На НЧ опір Сф стає більше опору Rф, це збільшує опір колекторної ланцюга і як результат - знижує нижню граничну частоту смуги пропускання підсилювача. При цьому відношення Rф / Rк визначає максимально можливий підйом посилення зі зниженням частоти w, який проте, реально завжди буває менше через зниження посилення на НЧ через розділового конденсатора Порівн.

АЧХ і ПХ підсилювача при оптимальних і неоптимальних параметрах НЧ-корекції (1 - без корекції, 2 - оптимальна корекція, 3 - перекоррекція) наведені на рис.3.12.

Рис.3.12.

4. ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ.

До складу лабораторної Устоновка входять:

1) лабораторний макет;

2) лабораторний блок живлення;

3) універсальний вольтмер (типу В7-15, В7-16).

4) генератор низькочастотних сигналів (типу Г3-56, ГЗ-102).

Лабораторний макет містить:

а) досліджуваний резисторний підсилювач змінного струму з емітерний повторювачем на виході для забезпечення високоомними навантаження підсилювача (див. рис. 4.1.).

б) вбудований генератор імпульсних сигналів (з можливістю регулювання амплітуди і тривалості імпульсів), розташований на верхній частині корпусу лабораторного макета.

Харчування лабораторного макета здійснюється від джерела постійної напруги En = + 12В. Зовнішній вигляд лицьової панелі з нанесеною на неї принциповою схемою лабораторного макета представлений на рис.4.2.

Мал. 4.2.

5. ПОРЯДОК РОБОТИ

5.1. Дослідження впливу розділового конденсатора на характеристики підсилювача.

а) Зібрати установку за схемою рис. 5.1. Всі перемикачі поставити в початкове 1 положення.

Мал. 5.1.

Величину U вих встановити в межах 10 ... 30 мВ для забезпечення лінійного режиму роботи підсилювача. Досліджуючи залежність U вих від частоти f вхідного сигналу (при незмінній величині Uвх) отримати і побудувати АЧХ підсилювача при 2-х значеннях ємності Ср (перемикач S4). При дослідженні АЧХ рекомндую попередньо оцінити частотну область рівномірного посилення, де число відліків може бути скорочено до 3 ... 4. У частотних областях зміни АЧХ (НЧ і ВЧ) число осчетних точок повинно бути збільшено до 4 ... 5.

б) Підключити на вхід досліджуваного підсилювача імпульсний сигнал з генератора прямокутних імпульсів (див. розділ 4). Вихідна напруга підсилювача контролювати за допомогою осцилографа. Замалювати з екрану осцилографа на одному графіку форму імпульсів на виході підсилювача (ПХ підсилювача) для двох значень Пор.

Виміряти величину спаду плоскої частини вершини імпульсу (в%) для двох значень Пор.

Зробити висновки про вляініі розділового конденсатора Ср на характеристики підсилювача.

5.2. Дослідження впливу колекторного опору на характеристики підсилювача.

Використовуючи схему і методики п.5.1. виміряти номінальний коефіцієнт посилення Ко, зняти АЧХ і ПХ підсилювача для 2-х значень Rк. Побудувати АЧХ і ПХ підсилювача для двох значень Rк.

Зробити висновки про вплив колекторного опору на характеристики підсилювача.

5.3. Дослідження впливу НЧ-корекції.

Перемикач S4 поставити в положення, відповідне меншому значенню Пор. Дослідити АЧХ і ПХ підсилювача для 3-х значень праметров НЧ-корекції. Побудувати АЧХ і ПХ підсилювача для різних параметрів НЧ-корекції.

Зробити висновки про вплив Rф, Сф на характеристики підсилювача.

5.4. Дослідження впливу ВЧ-корекції

Перемикач S1 поставити в положення Rк max, а перемикач S5 в положення 1.

Дослідити АЧХ і ПХ підсилювача для 3-х значень коректує індуктивності Lк. Побудувати АЧХ і ПХ підсилювача для різних параметрів індуктивної ВЧ-корекції.

Зробити висновки про вплив Lк на характеристики підсилювача.

5.5. Оформлення звіту про лабораторну роботу.

Звіт повинен містити:

а) схему резисторного підсилювача змінного струму з НЧ і ВЧ корекцією;

б) результати вимірювань, таблиці і графіки, необхідні лабораторними завданнями;

в) висновок про відповідність отриманих результатів теоретичним даними.

6. Контрольні питання

1. Елементи температурної стабілізації робочої точки транзистора і їх вибір.

2. Робота резисторного Касакад в області НЧ.

3. Робота резисторного Касакад в області ВЧ.

4. Вплив разднлітельного конденсатора Ср на характеристики підсилювача.

5. Вплив колекторного опору Rк на верхню граничну частоту і номінальний коефіцієнт посилення.

6. Принцип роботи індуктивної ВЧ - корекції резисторного підсилювача.

7. АЧХ підсилювача при оптимальних і неоптимальних параметрах елементів ВЧ корекції.

8. ПХ підсилювача при оптимальних і неоптимальних параметрах елементів ВЧ - корекції.

9. Принцип роботи НЧ - корекції резисторного підсилювача.

10. АЧХ підсилювача при оптимальних і неоптимальних параметрах елементів НЧ - корекції.

11. ПХ підсилювача при оптимальних і неоптимальних параметрах елементів НЧ - корекції.

7. Л І Т Е Р А Т У Р А.

1. Остапенко Г. С. Підсилювальні пристрої. - М.: Радио и связь, 1989, підрозділи 1.4, 1.5, 3.2, 4.8.

2. Войшвилло Г. В. Підсилювальні пристрої. - М.: Радио и связь, 1983, підрозділи 4.1.1, 4.7.3, 5.3.1, 5.3.3.

3. Мамонкин І. Г. Підсилювальні пристрої. - М.: Зв'язок, 1977, підрозділи 6.3, 7.3, 11.3.