Мукан Ж.Б. Лабораторные работы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств - файл n6.doc

Мукан Ж.Б. Лабораторные работы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
скачать (3218.9 kb.)
Доступные файлы (10):
n1.doc2775kb.14.10.2011 19:24скачать
n2.doc23kb.19.06.2007 03:30скачать
n3.doc286kb.16.06.2009 17:00скачать
n4.doc2364kb.27.10.2010 14:56скачать
n5.doc4155kb.30.12.2009 14:31скачать
n6.doc273kb.20.02.2010 11:51скачать
n7.doc90kb.08.04.2010 18:20скачать
n8.doc151kb.20.02.2010 11:44скачать
n9.doc1623kb.12.03.2010 13:07скачать
n10.doc2779kb.20.02.2010 11:46скачать

n6.doc


Евразийский национальный университет имени Л.Н.Гумилева



Лабораторная работа №5
ИССЛЕДОВАНИЕ RC УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ


Астана – 2010г.


Составитель: Мукан Ж.Б.

Лабораторная работа №5
ИССЛЕДОВАНИЕ RC УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ


  1. Цель работы




    1. Изучение основных параметров и характеристик RC каскада.

    2. Изучение переходных характеристик транзисторного усилительного RC каскада.

  1. Теоретические сведения
В процессе преобразования и обработки информации, заложенной в электрических колебаниях, часто оказывается, что уровень мощности этих колебаний недостаточен для работы потребителя и возникает необходимость в его увеличении. Так, мощность радиосигнала на входе приемного устройства 10-14-10-26 Вт, а для работы оконечного прибора (например, громкоговорителя) обычно требуется мощность порядка одного или нескольких ватт. Таким образом, в приемном устройстве требуется усиление по мощности в 1014-1026 раз. Например, назначение усилителей радио- и промежуточной частоты – усилить принятый радиосигнал от напряжения измеряемого милливольтами, а чаще всего микровольтами, а иногда и миллионными долями микровольт, до напряжения, близкого к 1 В, необходимого для эффективной работы детектора.



Классификацию усилителей можно проводить по различным признакам:

  1. по виду используемого усилительного элемента – ламповые, транзисторные, усилители на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;

  2. по диапазону усиливаемых частот – усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио- или промежуточной частоты (УРИ, УПИ) и сверхвысокой частоты (СВЧ);

  3. по ширине полосы усиливаемых частот – узкополосные, широкополосные усилители;

  4. по характеру усиливаемого сигнала – усилители непрерывных и импульсных сигналов;

  5. по усиливаемой электрической величине – усилители напряжения, тока, мощности;

  6. по типу нагрузки – резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.


В данной работе рассматривается резистивный усилитель, в котором явно

выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). В реальных условиях за счет реактивных элементов в схеме, в том числе и паразитных, нагрузка является не чисто активной, а комплексной.


    1. RC усилительные каскады

Усилителем называется устройство, увеличивающее мощность входного


сигнала за счет энергии источника питания. Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку усилителя. Рассмотрим линейный электронный усилитель, предназначенный для усиления электрических сигналов без изменения их формы. Усилитель можно представить как активный четырехполюсник, у которого вход и выход имеют общую точку (рис.2.1). К входным зажимам подключается источник усиливаемых электрических сигналов, к выходным – нагрузка.


Rr Iвх Rвых Iвых


Еr Uвх Rвх Е Rвых Uвых



Рис.2.1 Блок-схема электронного усилительного каскада



На рис.2.1 источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения еr, с внутренним сопротивлением Rr, подключенного к входному сопротивлению усилителя Rвх. Со стороны выхода усилитель можно представить источником напряжения Е, с внутренним сопротивлением Rвых, к которому подключена нагрузка Rн. Основными параметрами усилителя являются:


При усилении электрических сигналов кроме увеличения амплитуды происходит сдвиг фаз между входным и выходным сигналами. В связи с этим коэффициент усиления является комплексной величиной.

Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала.

Отклонение формы выходного сигнала от формы входного называются искажениями, которые бывают двух видов: линейные и нелинейные.

Нелинейные искажения проявляются в том, что при усилении сигнала синусоидальной формы (uвых(t)= um·sin ?t) выходной сигнал не является синусоидальным, в нем кроме основной гармоники появляется ряд высших гармоник. Нелинейные искажения возникают из-за наличия в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Возникновение нелинейных искажений на примере амплитудной характеристики транзистора UВых=ѓ(uвх) показано на рис.2.2.
UВых Uk
Uк0


uбэ t

uвх(t)
t

0

Рис.2.2 Иллюстрация возникновения нелинейных искажений



Нелинейные искажения связаны только с амплитудой входного сигнала и не связаны с его частотой. Максимальную величину входного сигнала, при котором амплитудная характеристика uвых = К u· uвх отклоняется от идеальной (линейной) в допустимых пределах, принято называть динамическим диапазоном усилителя по входу.

Линейные искажения обусловлены в основном частотозависимыми сопротивлениями (емкостное и индуктивное) и элементами, имеющими частотозависимые коэффициенты передачи (? и ? транзистора). Уровень линейных искажений не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала. Линейные искажения проявляются в искажении формы выходного сигнала, имеющего сложный спектральный состав. В этом случае составляющие разных частот будут усиливаться не одинаково, различным для них будет и сдвиг фаз. Не одинаковое усиление составляющих разных частот и различие их фазовых сдвигов на выходе усилителя называют частотными и фазовыми искажениями соответственно. На рис.2.3 показано фазо-частотная характеристика усилителя: пунктирная линия – для идеального, сплошная - для реального усилителя.


Рис.2.3 Фазо-частотная характеристика усилителя

Рис.2.4 Амплитудно-частотная характеристика усилителя


Для усилителя без искажений в диапазоне усиливаемых частот идеальная амплитудно-частотная характеристика должна быть горизонтальной прямой, амплитудно-частотные характеристики реальных усилителей имеют «завалы» в области высоких и низких частот. При оценке неравномерности частотной характеристики усилителя пользуются коэффициентом частотных искажений М, дающим количественную оценку этих искажений М=К0, где К – коэффициент усиления на рассматриваемой частоте (рис.2.4). В большинстве случаев принято М=1/?2. Тогда частоты, на которых наблюдается такой коэффициент неравномерности, называют нижней и верхней граничными частотами соответственно. Диапазон частот (fв - fн) называется полосой пропускания.

Для анализа и расчета основных характеристик, усилительный каскад целесообразно представить линейным активным четырехполюсником, который имеет два входных и два выходных зажимов. Транзистор же имеет три вывода, поэтому один из выводов обязательно должен быть общим для входа и выхода. Число возможных способов включения транзистора равно шести. Однако, только три способа включения позволяют получить эффект усиления. В связи с этим используют следующие схемы включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК). Конечно, физические процессы, происходящие в транзисторе, не зависят от схемы его включения, в частности сохраняются соотношения между токами эмиттера, базы и коллектора. Однако характеристики и параметры транзистора зависят от схемы его включения, например, в схемы с ОБ нет усиления по току, малое входное и большое выходное сопротивления. Тем не менее, большое усиление по напряжению, высокая линейность и более высокая верхняя частота делают эту схему привлекательной в некоторых случаях. В схеме с ОК нет усиления по напряжению, но имеется большое усиление по току и эта схема обладает большим входным и малым выходным сопротивлениями, что обеспечивает его использование для согласования различных схем. Схема с ОЭ имеет достаточно большие усиления, как по току, так и по напряжению, а также большое усиление мощности сигнала. Входное и выходное сопротивление составляют средние величины по сравнению со схемами с ОБ и ОК. Поэтому на практике наибольшее распространение получил усилительный каскад с ОЭ.

Рассмотрим простейшую схему RC усилительного каскада с ОЭ (рис.2.5).

Рис.2.5 Схема RC усилительного каскада с ОЭ



В приведенной схеме делитель в цепи базы, образованный из резисторов RБ1 и RБ2 устанавливает фиксированный потенциал на базе

UБ= Uн ·RБ2 /(RБ1 + RБ2)

и тем самым, определяя смещение UБЭ задает начальный ток I0Б (ток покоя). Обычно UБЭ точно неизвестно, для германиевых транзисторов это напряжение на эмиттерном переходе меняется около уровня ~0,2 В, а для кремниевых около ~0,6 В. при этом ток базы очень резко возрастает при увеличении UБЭ. Поэтому на выходных статических характеристиках транзистора указывается (как параметр) ток IБ, как величину которую можно измерить, в то время как измерить изменение напряжения UБЭ довольно сложно. Начальный ток базы вызывает в h21Э раз больший ток коллектора I0к, который создает на резисторе Rк падение напряжения

U0к= Rк · I0к= Rк ·h21Э ·I0Б.

Таким образом, не пользуясь статическими характеристиками можно определить рабочую точку. Если теперь воспользоваться выходными характеристиками, показанными в предыдущей лабораторной работе, то можно расположить расчетную рабочую точку посередине нагрузочной прямой, которая в нашем случае определяется из уравнения прямой

Uкэ= Un - I0К (Rк + RЭ),

соединяющей точку Uкэ= Un на оси абсцисс, и точку

I0К=Un/ (Rк + RЭ)

на оси ординат. Номиналы резисторов, тип транзистора и напряжения питания указаны на лабораторном макете (рис.3.1).

Нагрузочная прямая фиксирует все возможные соотношения между напряжением на коллекторе транзистора и его токами, которые могут быть в схеме при заданных значениях Un, UБ и Rк, RЭ. Поэтому с её помощью можно правильно выбрать положение рабочей точки (точки покоя) и обеспечить такой режим работы каскада, когда формы переменных токов коллектора и базы совпадают. Очевидно, что это будет только в том случае, если транзистор не попадает ни в режим отсечки, ни в режим насыщения. В том и другом случае выходной ток становится неуправляемым, что совершенно недопустимо. Изложенное выше показывает, что для усилительного каскада необходимо создать правильный режим работы каскада по постоянному току. При этом нужно учитывать помимо разбросов параметра транзистора ещё и сохранение рабочей точки в заданных пределах при воздействии любых дестабилизирующих факторов и прежде всего температуры. Нестабильность положения точки покоя при изменении температуры среды и самого транзистора можно исключить введением, например, цепочки эмиттерной стабилизации. Резистор RЭ и делитель RБ1, RБ2 составляют цепь отрицательной обратной связи, предназначенной для термостабилизации. Делитель должен быть достаточно низкоомным, чтобы ток был по крайней мере на порядок больше тока базы. Тогда потенциал базы UБ не будет зависеть от тока базы. Но в то же время сопротивление делителя должно быть достаточно высоким, чтобы не шунтировал сигнал (чтобы сигнал не ответвлялся на эту цепочку, а поступал непосредственно на вход транзистора). Действие обратной связи объясняются следующим образом. При возрастании из-за роста температуры тока покоя коллектора и эмиттера также увеличивается падение напряжения на эмиттерном резисторе RЭ: UЭ= I0Э · RЭ.
Так как потенциал базы фиксирован делителем и

UБэ=UБ - ∆UЭ,

то с увеличением UЭ уменьшается управляющее напряжение UБЭ . Это приводит к подзапиранию транзистора, уменьшению тока базы и, следовательно, токов коллектора и эмиттера. Тем самым происходит компенсация первоначального увеличения токов покоя. Такая же компенсация происходит при случайном уменьшении тока коллектора, в этом случае транзистор приоткрывается. Таким образом, любые изменения токов транзистора уменьшаются при помощи введения цепей обратной связи. Это полезное для стабилизации постоянных составляющих токов совершенно не нужно для переменных составляющих. Чтобы сохранить усилительные свойства по переменному току необходимо исключить обратную связь для сигнала. Для ее исключения резистор RЭ шунтирует конденсатором СЭ достаточно большой емкости. Сопротивления конденсатора для переменной составляющей мало и поэтому эмиттерный вывод замыкается на землю для всех частот. То есть для сигнала RЭ не существует, а значит и нет на нем падения напряжения.

Ср1 и Ср2 -разделительные конденсаторы, пропускающие переменную составляющую и разделяющие каскады по постоянному току. ZН - нагрузка усилительного каскада. Для расчета коэффициента усиления усилителя и определения его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) надо составить эквивалентную схему усилителя по переменному току. Для этого необходимо воспользоваться эквивалентной схемой самого транзистора, описывающей малые изменения токов и напряжений на зажимах транзистора при подаче на его вход малого сигнала, a полная эквивалентная схема каскада приведена на рис.2.6.

Рис.2.6 Полная эквивалентная схема усилительного каскада



В эквивалентной схеме RЭСЭ цепочка не показана. Сопротивление этой цепочки очень мало на всех частотах усиливаемых колебаний, поэтому ими пренебрегаем и не рассматриваем. Кроме того, сопротивление источника питания столь мало, что переменное напряжение на ней также равно нулю. Но паразитные емкости Свх, Свых, См (монтажная емкость) на высоких частотах необходимо учесть. Далее эту схему можно значительно упростить, пренебрегая некоторыми элементами, т.к. в реальных каскадах

rвых>> RК (rвых-сотни КОм, RК – единицы КОм), 1/(?Свх)>>rвх (Свх-десятки пикофарад, rвх~100 Ом), RБ= RБ1 ·RБ2 /(RБ1+RБ2) >> rвх (RБ-порядка десятков КОм). Разделительные емкости Ср1, Ср2. обычно составляют несколько тысяч пикофарад и более). При этом цепочку Ср1·RБ . можно учесть при расчете предыдущего каскада. Наконец объединив соединенные параллельно емкости Свых и См в одну С= Свых+ См, получим окончательную эквивалентную схему (рис.2.7).



Рис.2.7 Упрощенная эквивалентная схема усилительного каскада



Из упрощенной эквивалентной схемы видно, что выходной ток через нагрузку зависит от частоты. Элементами схемы, сопротивления которых меняются с частотой, будут емкости С и Ср2. При изменении частоты входного сигнала сопротивления этих емкостей меняется одинаково, но они включены в схему по-разному. Поэтому их влияние на работу каскада оказывается не одинаковым. Нужно сказать, что все паразитные емкости, в том числе емкости p-n переходов включены в емкость С и в сумме не превышают тысячи пикофарад, т.е. достаточно малы и их влияние сказывается только на высоких частотах. Емкость С включена параллельно сопротивлению RК, поэтому она влияет на работу каскада в том случае, когда ее сопротивление соизмеримо с RК или меньше его. Т.е. эта емкость влияет на работу каскада в области высших частот. Разделительная же емкость Ср2 включена последовательно с нагрузкой. Она будет влиять на выходной ток в том случае, когда ее сопротивление соизмеримо с RН или больше его. Это будет иметь место в области низших частот. Таким образом, получается, что существует некоторая средняя область частот при котором усилительные свойства каскада не зависят от частоты. Следовательно, элементы схемы должны быть подобраны так, чтобы между областью высших и низших частот существовала область средних частот, в которой сопротивление емкости С было бы достаточно велико по сравнению с RК, а сопротивление емкости Ср2 достаточно мало по сравнению с RН. Такая область частот будет, если емкость разделительного конденсатора выбрана достаточно большой, а паразитные емкости каскада (С) уменьшены до минимально возможной величины. Поэтому весь диапазон рабочих частот разбивается на три области: средних, низших и высших частот, в которых коэффициент усиления зависит от разных элементов его схемы. Рассмотрим раздельно поведение АЧХ в этих областях, соответствующим образом упростив эквивалентную схему для каждой из них.

В области средних частот сопротивление Ср2 столь мало, что им можно пренебречь, а сопротивление С столь велико по сравнению с RК и RН, что его шунтирующее действие можно не учитывать. Тогда эквивалентная схема без этих емкостей значительно упростится (рис.2.8).




Рис.2.8 Эквивалентная схема усилителя в области средних частот



Из этой схемы находим, что Uвх=IБ· rвх, а Uвых=h21Э IБ·RК·RН/(RК+RН),

выходной ток Iвых=Uвых/RН= h21Э IБ·RК/(RК+RН),
отсюда (КI)0= Iвых/ IБ= h21RК/(RК+RН),

(КU)0=Uвых / Uвх=h21RК·RН/rвх·(RК+RН), (2.1)

где индекс 0 означает область средних частот.
В
КI

К0

1

0,7
?н


?н2 ?н1 ?

области низших частот
пренебрегаем большим сопротивлением емкости С, а большим сопротивлением Ср2 пренебрегать нельзя из-за ее последовательного включения и заметного падения напряжения на ней. Ее следует сохранить в эквивалентной схеме (рис.2.9).


Ср2

IБ

h21IБ

Uвх rвх Rк RН IВЫХ











а) Эквивалентная схема

б)Частотная характеристика усилителя в области низших частот
Рис.2.9
Из этой схемы находим, что напряжение на RК равно:



RК·(1/j?Ср2 +RН)

RК+RН+1/j?Ср2


Iвых(j?)= URк/(RН+1/j?Ср)=h21Э IБ · =
h21 IБ · ·
RК

RК +RН+1/j?Ср2

RК 1

RК+ RН 1+1/[ j?Ср(RК+ RН)]

Откуда


КIн(j?)= Iвых(j?)/ IБ(j?)=
КI0

1+1/[ j?Ср(RК+ RН)] (2.2)


КIн(j?)= Iвых(j?)/ IБ(j?)= КI0/(1+1/ j??н); ?н= Ср(RК+ RН)



или

где ?н – постоянная времени переходной цепи усилительного каскада. Модуль коэффициента усиления по току равен:

КIн(?)= КI0 / 1+(1/ ??н)2 (2.3)

tg ?н=1/ ??н,

т.е. появляется фазовый сдвиг выходного тока относительно входного. Аналогично для

Кu0(?)= Кu0 / 1+(1/ ??н)2 (2.4)

В соответствии с (2.3) и (2.4) частотная характеристика каскада в области низких частот имеет вид, показанный на рис.2.9б, а ее поведение определяется постоянной времени переходной цепи усилительного каскада ?н: чем больше ?н, тем более равномерной оказывается частотная характеристика.



КI

К0

1
0,7

?в


?в2 ?в1 ?


В области высших частот пренебрегаем Ср (на ней нет падения напряжения), но не пренебрегаем С (тоже нет падения напряжения из-за малого сопротивления и при ее параллельном включении происходит шунтирование нагрузки). Сохраняя С в эквивалентной схеме приходим к виду, показанному на рис.2.10 а).














а)Эквивалентная схема

б)Частотная характеристика в области высших частот

Рис.2.10


Из этой схемы находим

Iвых(j?)= Uвых(j?)/RН;

Uвых(j?)=h21Э IБ · Rэкв;

R
1/ Rэкв=1/ RК+ j?С+1/ RН= ;

Н+ j?С RН RК+ RК


RН RК

RН RК
Uвых(j?)=h21Э IБ· ;



RН+ j?С RН RК+ RК

Iвых(j?)= ·

h21Э IБ · RК · 1

RН + RК 1+ j?С RКRН/ (RК+RН)
О
КIв(j?)= Iвых/ IБ= · =
тсюда h21 · RК 1 КI0

RН + RК 1+ j? ?в 1+ j? ?в , (2.5)
где ?в= С RКRН/(RК+ RН) – постоянная времени нагрузочной цепи.

Модуль КI0

1+ (? ?в)2 , (2.6)
tg ?в=- ??в,
т.е. появляется дополнительный фазовый сдвиг выходного тока относительно входного. В соответствии с (2.5) частотная характеристика усилителя в области высоких частот имеет вид, показанный на рис.2.10(б). Ее поведение определяется, ?в: чем меньше ?в, тем более равномерной оказывается частотная характеристика.

Учитывая вышеприведенные формулы (2.1)-(2.6) для коэффициентов усиления, можно записать выражение для АЧХ усилителя, справедливые для всей области рабочих частот:

К0

1+ (? ?в-(1/ ??н))2 . (2.7)

На рис.2.11 приведена общая АЧХ усилителя, иллюстрируемая этой формулой. АЧХ имеет максимум на средних частотах и «завалы» в области низких и высоких частот. В области низких частот «завал» объясняется дифференцирующим свойством цепочки, составленной из Ср2(RК+ RН). В области высоких частот интегрирующей цепочкой, составленной из (RКRН. граничные нижние и верхние частоты определяются из условия
КIн / КI0= КIвI0=1/?2=0,7,

откуда следует,

1/(?н?н)2=1; ?н =1/?н, (2.8)

(?в?в)2=1; ?в =1/?в (2.9)

Из этих выражений следует, что для расширения полосы пропускания П=(?в-?н) усилителя нужно увеличить ?н и уменьшить ?в.

Заканчивая рассмотрение частотных характеристик простейших каскадов следует заметить, что сравнение их усилительных свойств удобно проводить по значению площади под частотной характеристикой. Эту площадь с достаточной степенью точности можно найти в виде произведения коэффициента усиления напряжения каскада в области средних частот Кu0 на верхнюю граничную частоту ?в


U) 0?в= · = = q
h21Э · RК RН RК +RН h21Э

rвх (RН + RК) С·Rк RН rвх ·С .
Из этой формулы видно, что усилительные свойства каскада не зависят от величины сопротивления нагрузки, а определяются только параметрами транзистора. Поэтому величину q называют добротностью транзистора и чем она выше, тем лучше усилительные свойства каскада. Для увеличения добротности нужно увеличивать h21Э , уменьшать rвх и паразитные емкости.


КI

I) 0
1

0,7

полоса пропускания

?н=1/?н ?в =1/?в ?

Рис.2.11 Частотная характеристика усилительного RC - каскада



2.1.1. Входное и выходное сопротивления каскада
Расчет входного и выходного сопротивление каскада удобно проводить по более наглядной физической Т-образной эквивалентной схеме, которая приведена на рис.2.12.



а) полная Т-образная

эквивалентная схема каскада

Рис.2.12

б) упрощенная

эквивалентная схема


В приведенной схеме rб –объемное сопротивление материала базы. Несмотря на малые размеры области базы (ширина базы порядка микрона) ее сопротивление достаточно большое ~ порядка ста Ом из-за слабой степени легирования (малой концентрации носителей) rэ –дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. rэ=?т/?э порядка 25 Ом при токе ?э=1 mА, ?т - тепловой потенциал, при комнатной температуре ~ 25 mВ. Резистор Rэ осуществляет обратную отрицательную связь по току для постоянного тока. Cэ берется достаточно большой (микрофарады), поэтому для переменного тока сопротивлением Rэ можно пренебречь, т.е. для переменного тока нет обратной связи. rК* - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ, оно порядка нескольких десятков КОм. ??Б – «генератор тока» транзистора отражающий усилительные свойства транзистора, т.е. входной базовый ток ?Б усиливается в ?~100 раз. ?=∆?к/∆?б - дифференциальный коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, примерно равен интегральному коэффициенту h21Э с точностью до малых обратных токов: ?? h21Э ;

СК* - барьерная емкость коллекторного перехода и составляет порядка десятка или сотни пикофарад. Этой емкостью в области низких и средних частот можно пренебречь. В результате мы переходим к упрощенной эквивалентной схеме, показанной на рис.2.12 б).

Входное сопротивление определяется выражением Rвх=Uвх/?вх , где ?вх – переменная составляющая базового тока, а напряжение Uвх считается приложенным непосредственно к базе. Значит, при расчете входного сопротивления нужно полагать Rr=0. Из рис.2.12 б) видно , что

Uвх= ?б rб + ?э rЭ,

но ?э= ?б+?к или ?э=?б(?+1),

поэтому

R вх = [?бrБ + ?б (? +1)rЭ]/ ?б=rБ+(? +1) rЭ. (2.10)
Практически сопротивлением rБ~100 Ом можно пренебречь и, если, ? ~100, а rЭ~25 Ом, тогда

R вх ? ? rЭ ? 2,5 КОм. (2.11)

Выходное сопротивление определяется выражением


R вых= (Uвых)хх / (?вых)кз,

где (Uвых)хх – выходное напряжение при холостом ходе каскада (т.е. в отсутствии R н нагрузки), а (?вых)кз - выходной ток при коротком замыкании выхода по переменной составляющей (т.е. выход закорочен емкостью).

По физическому смыслу выходное сопротивление схемы – это дифференциальное сопротивление, которое можно измерить со стороны выходных зажимов в отсутствии входного сигнала (Uвх=0) и при отключенной внешней нагрузке R н =?. Поскольку входная часть схемы отделена от выхода генератором тока и поскольку этот генератор при Uвх=0 бездействует, а также учитывая, что rк*>> R к , можно сразу написать R вых? R к, либо с учетом нагрузки R вых? R к R н .
2.1.2. Переходная и импульсная характеристика
Для полной характеристики усиления недостаточно указать лишь верхнюю и нижнюю граничные усиливаемые частоты, чтобы судить о характере изменения усиления за пределами полосы пропускания fн, …, fв кроме частотного подхода широко используется временной подход, при котором радиоэлектронная цепь характеризуется переходной h1(t) функцией. Переходной функцией или характеристикой называют отклик цепи, т.е. напряжение на выходе при подаче на вход единичного скачка напряжения. Единичную ?(t) функцию можно записать следующим образом
1, при t ? 0

(2.12)

0, при t < 0

а) единичная функция

Рис.2.13

б) переходная характеристика




Наряду с переходной характеристикой в радиоэлектронике используется понятие импульсной характеристики. Импульсной характеристикой h(t) называется отклик цепи на единичный импульс – ? –функцию, математически определяемую следующим образом:

0, при t ? 0



?(t)dt=1


?, при t = 0
(2.13)


?(t)

0 t0 t

h(t)

0 t



а) ?-функция


Рис.2.14

б)импульсная характеристика




Дельта - функция ?(t) - бесконечно короткий импульс с бесконечно большой амплитудой. При сдвиге дельта - функции по оси времени на интервал t0 дельта – функцию можно записать в более общей форме:

(2.14)

Д

f(t) ?(t-t0) dt= f(t0) ?(t-t0) dt= f(t0)
ельта – функция обладает следующим важнейшим свойством. Пусть имеется некоторая непрерывная функция времени f(t), тогда справедливо соотношение
(2.15)


Отметим, что дельта- функция и единичная функция тесно связана между собой аналитически. Результатом дифференцирования единичной функции является дельта – функция:

h(t)=d h1(t) / dt (2.16)

т.е, зная переходную характеристику цепи h1(t) можно найти импульсную характеристику. Импульсная и переходная характеристики позволяют сравнительно просто найти сигнал на выходе линейной цепи при воздействии на его вход сложных по структуре колебаний.

Любое напряжение или ток можно представить не только в виде бесконечной суммы ступенек, но и в виде бесконечной суммы импульсов. Например, напряжение произвольной формы, действующей на входе цепи равно (см. формулу (2.16)).

Uвых(t) = Uвх(?) ?(t - ?) d? (2.17)

Последнее выражение называется интегралом Дюамеля в импульсной форме. Этот интеграл имеет четкий физический смысл: выходной сигнал Uвых(t) линейной цепи в любой момент времени является результатом взвешенного суммирования мгновенных значений входного сигнала Uвх(t), поступивших за предыдущее время. Роль весовой функции выполняет импульсная характеристика цепи, взятая с аргументом (t?), т.е. h(t - ?).

Следует отметить, что АЧХ К(?) и ФЧХ ?(?), а также импульсная h(t) и переходная h1(t) характеристики позволяют оценивать влияние линейной цепи на изменение формы и параметров входного сигнала. Частотный коэффициент передачи и импульсная характеристика связаны преобразованием Фурье:

h(t)=1/2?К(?) еj?t d?

отсюда, используя формулы (2.4-2.6) находим переходную характеристику

h1(t)= е-t/?н - е-t/?в.

По переходной характеристике h1(t) легко оценить искажения, возникающие при прохождении импульсного сигнала через усилитель. Прямоугольный импульс длительностью tu можно рассматривать как сумму двух скачков напряжения одинаковой амплитуды и противоположной полярности, следующих друг за другом с интервалом tu. Просуммировав две соответствующие переходные характеристики, можно получить форму выходного импульса (рис.2.15).

U(t) tu

?U


Um

U0

0,9U0



?U

Uк






0,5U0

0,1 U0





0 t1 t3 t2 tu t

tф




Рис.2.15 Выходной импульс



Искажения, вносимые усилителем можно определить, сравнивая выходной импульс с идеальным прямоугольным импульсом, амплитуда которого равна U0=K0Uвх (Uвх- амплитуда прямоугольного входного импульса). Количественно искажения импульсного сигнала оцениваются временем нарастания фронта tф, выбросом ?, временем запаздывания tз и величиной скола (спада) плоской части импульса U.

Вид АЧХ в области верхних частот определяет поведение переходной характеристики в области малых времен, а вид АЧХ в области нижних частот -поведение h1(t) в области больших времен. Рассмотрим их отдельно. Для малых времен (t << ?н), h1(t)= е-t/?н - е-t/?в?1- е-t/?в,откуда время нарастания фронта равно tф= t2- t1=2,2?в. Таким образом, чем меньше постоянная времени ?в (чем меньше емкости переходов, паразитные емкости и RК транзистора), тем шире полоса пропускания усилителя и тем меньше искажения фронта импульса (фронт становится круче).

Для больших времен (t >>?в), соответствующих времени прохождения вершины импульса, можно записать:

h1(t)= е-t/?н ?1 - t/?н,

откуда относительный спад вершины импульса ∆=∆U/U0 на момент его окончания оценивается как

=[1- h1(?н)]= tu /?н= tu?н,

т.е. чем больше ?н (чем больше разделительная емкость Ср и R/ н), тем меньше искажение вершины импульса.

Подводя итоги можно сказать, что реальный усилитель может заменяться дифференцирующей или интегрирующей цепью в зависимости от того, на каких частотах она работает. В самом деле, идеальный прямоугольный импульс можно представить как резкие скачки напряжения, чередующиеся напряжением постоянного уровня. Фронт скачка составлен в основном высокочастотными гармониками спектра. На коэффициент передачи этих гармоник влияют малые емкости p-n переходов, а также паразитные и монтажные емкости, подключенные параллельно выходу усилителя. Емкости переходов также пересчитываются (по высокой частоте) на выход. Таким образом, для высоких частот усилитель заменяется эквивалентной интегрирующей цепочкой, переходная характеристика которой h1(t)=1-е-t/?в. Плоская же вершина импульса составлена низкочастотными гармониками спектра, на коэффициент передачи которых влияют разделительные емкости. Эти емкости подключены к выходу последовательно и с сопротивлением нагрузки образуют эквивалентную дифференцирующую цепочку усилителя на низких частотах. Переходная характеристика дифференцирующей цепочки h1(t)= е-tu/?н. Если подать на вход прямоугольный импульс, то проявятся как интегрирующие, так и дифференцирующие свойства усилителя (см.рис.2.15). Следовательно, возможны три различных случая:

Итак, для уменьшения искажений фронта импульса необходимо расширять полосу пропускания частот усилителя в сторону высоких частот (малое ?в). Для уменьшения искажений плоской части импульса следует расширять полосу пропускания в область низких частот (большое ?н). Импульсные усилители усиливают колебания от единиц Гц до сотен МГц. Такую полосу пропускания частот имеют, например, усилители в электронных осциллографах, применяемых для наблюдения импульсных колебаний наносекундной длительности.



  1. Порядок выполнения работы




    1. Принадлежности к работе

      1. Лабораторный комплекс ЛКЭЛ, модуль ТР «Схемотехника транзисторов».

      2. Многофункциональный генератор-частотомер АКТАКОМ, АНР-1001

      3. Осциллограф сервисный универсальный ОСУ-20

      4. Мультиметр М – 830В.





Рис.3.1 RC-каскад на транзисторе рекомендуемый для сборки на стенде.


    1. Рабочее задание




      1. Установить режим работы усилителя по постоянному току. Для этого подать на базу транзистора напряжение смещения в пределах 0,6-0,7В. Затем, подавая на вход усилителя сигналы различной частоты с амплитудой порядка 40-50мВ, пронаблюдать на выходе неискаженный сигнал, т.е. «прогнать» усилитель по всем частотам. При появлении искажения необходимо откорректировать смещение на базе транзистора. После всего этого нужно измерить мультиметром потенциалы на всех электродах транзистора и питание: Uп; Uк ; Uэ ; Uпк ; Uкэ ; Uбэ ; и вычислить Iко.

      2. С помощью осциллографа определить динамический диапазон по входу усилительного каскада. Определить максимальную амплитуду входного сигнала при некоторой средней частоте при котором наблюдаются искажения выходного сигнала. Выставить амплитуду входного сигнала посередине входной (амплитудной) характеристики.

      3. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя.

      4. Отключить СЭ. Определить коэффициент усиления Кu в точке К и коэффициент передачи сигнала в точке А.

      5. Подать прямоугольный сигнал. Зарисовать форму сигнала. Измерить амплитуду, длительность, время нарастания, спад вершины входного и выходного импульсов.

      6. Снять зависимость спада вершины от длительности входного сигнала tu.

      7. Отчет


В отчете о проделанной работе должны быть краткий конспект по теории простейшего усилителя, принципиальная и эквивалентная схема. По всем пунктам рабочего задания должны быть приведены соответствующие таблицы и графики. Интерпретация результатов измерений и полученных графиков зависимостей, а также их сравнение с теоретическими представлениями.



  1. Контрольные вопросы




    1. Дайте определение электронного усилителя. По каким признакам классифицируют усилители?

    2. Нарисуйте принципиальную схему классического апериодического усилителя. Объясните назначение элементов в схеме апериодического усилителя.

    3. В каких случаях усилитель можно представить линейным четырехполюсником? Что такое амплитудная характеристика усилителя, динамический диапазон? Основные параметры усилительного каскада.

    4. Как нужно выбирать сопротивление делителя в базовой цепи?

    5. Что понимается под режимом работы транзистора по постоянному току?

    6. Объясните механизм обеспечения термостабилизации рабочей точки.

    7. Постройте эквивалентную схему каскада через h- параметры транзистора.

    8. Постройте эквивалентную схему каскада через h- параметры транзистора.

    9. Постройте физическую Т-образную эквивалентную схему транзистора.

    10. Почему в усилителе уменьшается усиление на низких частотах? На высоких частотах?

    11. Дайте определение переходной и импульсной характеристике.

    12. Какие искажения появляются на выходе при подаче прямоугольного импульса? Отчего зависят линейные нелинейные искажения?

    13. Нарисуйте кривую АЧХ для всего диапазона рабочих частот и объясните ее вид.

    14. Дайте сравнительный анализ достоинств и недостатков трех схем включения транзистора : ОБ, ОЭ, ОК.

    15. Как расширить полосу пропускания усилителя в сторону низших и высших частот?

    16. От чего зависит длительность фронта выходного импульса? Величина спада плоской части выходного импульса?

    17. Почему в усилителе проявляются как интегрирующие, так и дифференцирующие свойства при прохождении импульса?




  1. Литература




    1. В.И.Манаев. Основы радиоэлектроники, Радио и связь, М., 1990,512 с.

    2. В.Н.Ушаков, О.В.Долженко Электроника: от элементов до устройств, Радио и связь, М., 1993, 352 с..

    3. Основы радиоэлектроники. Под редакцией Г.Д.Петрухина, МАИ, М., 1993, 416 с.

    4. И.П.Степаненко. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний, М., 2000, 488 с.

    5. А.А.Каяцкас Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 1988, 464 с.

    6. А.Л.Булычев, П.М.Лямин, Е.С. Тулинов. Электронные приборы, Лайт ЛТД., М., 2000, 415 с.

    7. В.И.Нефедов. Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 2000, 399 с.

    8. В.И.Лачин, Н.С.Савелов. Электроника. Ростов-на-Дону. «Феникс», 2009,703с.




Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации