Исследование резонансного усилителя.

Исследование транзисторного резонансного усилителя

Исследование резонансного усилителя.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра радиоприёмных устройств

Лабораторная работа №16

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО РЕЗОНАНСНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Москва 2008

Лабораторная работа №16

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО РЕЗОНАНСНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Составитель доцент

Рецензент

Издание утверждено на заседании кафедры 26.03.08 г.

протокол № 7

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование влияния величины связи колебательного контура с транзистором и нагрузкой на усилительные и селективные (избирательные) свойства транзисторного резонансного усилителя (РУ); исследование с применением средств вычислительной техники влияние внутренней обратной связи (ОС) в транзисторе на эквивалентные параметры и амплитудно — частотную характеристику (АЧХ) РУ.

2. ЗАДАНИЕ ПО РАСЧЁТНОЙ ЧАСТИ

Используя приведённые в разд. 4 данные, для одного из указанных в табл. 1 вариантов*) рассчитать:

2.1. Коэффициенты m2C , обеспечивающие согласование с нагрузкой при коэффициентах m1, равных 1,0; 0,5; 0,3; 0,1 (рис 1а, б), а также соответствующие указанным m значения резонансного коэффициента усиления второго каскада РУ и его полосы пропускания П0,7.

2.2. Коэффициенты оптимального рассогласования m1опт и m2опт при выбранной самостоятельно в пределах 5…20 кГц полосе пропускания каскада РУ; соответствующий им коэффициент усиления.

2.3. Резонансный коэффициент устойчивого усиления К0уст. Пользуясь программой RPURU для ПК, рассчитать форму АЧХ контура на входе (!) второго каскада (для тех же данных), по указанию преподавателя.

3. ЗАДАНИЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ

3.1. Произвести экспериментальную проверку результатов теории по п. 2.1.

3.2. Для найденных согласно п. 2.2. значений m1 опт и m2 опт измерить коэффициент усиления и полосу пропускания второго каскада РУ.

*) Вариант расчёта выбирается в соответствии с порядковым номером фамилии студента в журнале группы, либо задаётся преподавателем.

Рис. 1б

Таблица 1

Вариант задания к пп. 2.3, 3.3 и 3.4

№№ п/пКуm1m2×10-2№№ п/пКуm1m2×10-2
123456789101112130,70,80,90,70,80,90,90,70,70,80,90,70,90,51,00,51,00,51,00,40,50,40,51,01,00,44366434633646141516171819202122232425260,80,90,90,70,80,80,80,70,90,750,950,850,850,50,51,00,51,01,00,50,40,51,01,00,51,03343466444364

Примечания:

если при расчётах необходимо знать m2, то в соответствии с (11) полагать m2=m2C;

помимо указанного в таблице, в качестве расчётного значения m2вх взять также m2вх=0,05=5×10-2 .

Положение переключателя1234567891011
Коэффициент включения1,00,50,40,30,20,150,10,080,050,020

3.3. Снять АЧХ контура на входе транзистора V2: без ОС (m1=0 ) и при наличии ОС, если:

а) m1 (m2C =0,15);

б) m1 соответствует заданному в одном из вариантов предварительного расчёта (табл. 1).

3.4. Провести машинный эксперимент в компьютерном классе кафедры (по указанию преподавателя).

4. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

Лабораторная установка включает в себя макет двухкаскадного РУ на биполярных сплавно-диффузионных транзисторах П-423 (см рис. 1а), в котором первый каскад является вспомогательным (для исследования влияния ОС на его АЧХ), ГСС и два ламповых вольтметра (ЛВ).

Рабочий режим транзистора V2 устанавливается резисторами R6 и R8 (IK=2…5мА; Vк =5 В) и контролируется соответствующими приборами, установленными в макете.

Напряжение ГСС на вход транзистора V2 может подаваться либо непосредственно (уровень ~10 мВ), либо после предварительного усиления первым каскадом, собранным на транзисторе V1 (выходное напряжение ГСС 1…5 мВ).

РУ имеет следующие параметры:

резонансная частота 465 кГц;

коэффициенты включения первого (входного) контура со стороны коллекторной цепи транзистора V1 и со стороны базы транзистора V2 m1вх=0,02 и m2вх=0,05;

параметры транзистора V2 в рабочем режиме: S0=120мА/В; q11=3•10-3 Cм; q22=8•10-5 Cм; Ск=10•10-12 Ф; τ=500 пс;

рабочий режим транзистора V1: IK=2 мА; Vк =5 В, вносимой проводимостью со стороны его выхода во входной контур можно пренебречь;

параметры контура второго каскада: индуктивность L=340мкГн (ρ=1000 Ом ), собственное затухание d0=0,012 (добротность Q0~80); значения коэффициентов включения m1 и m2 коллектора транзистора V2 и нагрузки ( qН=3•10-3 Cм) для соответствующих положений переключателей S2 (П1) и S3 (П2) указаны в табл. 2;

параметры первого (входного) контура: L1=410 мкГн (ρ1=1200Cм); d0=0,007 (Q0=140)

5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Устанавливаются рабочий режим транзистора V2 и выходное напряжение ГСС согласно данным разд. 4.

При выполнении п. 2.

1 и 2.2 ГСС подключается непосредственно ко входу транзистора V2; подстройка выходного контура производится после каждого изменения коэффициентов включения.

При выполнении п. 2.

3 на частоту 465 кГц настраивают оба контура, для чего сначала сигнал ГСС подаётся на вход второго каскада и настраивается его выходной контур (при m1=1 и m2=m2C),а затем ГСС подключается ко воду БТ V1 и настраивается первый каскад, после этого переключатель S2 ставят в положение m1=0 и, изменяя частоту ГСС на входе БТ V1, определяют расстройку первого контура, возникшую из-за влияния внутренней ОС в БТ измерения проводят без дополнительной подстройки контуров L1C3 и LC13.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

Отчёт должен содержать расчётные формулы, результаты расчётов по ним в виде таблиц и графиков, результаты эксперимента в виде соответствующих кривых на тех же графиках.

7. ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПРОВЕРКИ

7.1. Электрическая схема лабораторного макета РУ.

7.2. Эквивалентная схема активного четырёхполюсника с зависимым генератором тока; уравнение четырёхполюсника в Y-параметрах.

7.3. Коэффициент усиления (передачи ) однокаскадного РУ (общее выражение).

7.4. Входная проводимость РУ при наличии внутренней ОС (общее выражение).

7.5. Резонансный коэффициент усиления РУ, пути его максимизации (оптимизации).

7.6. Максимальный резонансный коэффициент усиления РУ при оптимальных коэффициентах включения m1ОПТ и m2ОПТ (случай «оптимального рассогласования»).

7.7. Резонансный коэффициент усиления РУ при согласовании «с источником сигнала».

7.8. Резонансный коэффициент усиления РУ при согласовании с нагрузкой.

7.9. Сравнить значения резонансных коэффициентов усиления РУ при согласовании «с источником сигнала» и нагрузкой.

7.10. Максимальный резонансный коэффициент усиления РУ при согласовании «с источником сигнала» (нагрузкой) в случае заданной полосы пропускания (dЭ).

7.11. Зависимость резонансного коэффициента усиления РУ при согласовании с нагрузкой от m1 при m2C.

7.12. Зависимость резонансного коэффициента усиления РУ от m1 при m2=const.

7.13. Внутренняя ОС в биполярном транзисторе, причины её возникновения, эквивалентные параметры цепи ОС.

7.14. Активная составляющая входной динамической проводимости, её качественная зависимость от расстройки.

7.15. Реактивная составляющая входной динамической проводимости, её качественная зависимость от расстройки.

7.16. Активная составляющая входной динамической проводимости, точки её экстремумов.

7.17. Активная составляющая входной динамической проводимости, нормированная величина её полного размаха.

7.18. Коэффициент устойчивого (kУ) РУ. Определение, физический смысл.

7.19. Коэффициент устойчивого (К0 УСТ) РУ.

7.20. Влияние внутренней ОС на работу РУ.

7.21. Влияние параметров активного элемента (транзистора) на устойчивость РУ.

7.22. Влияние параметров пассивных элементов электрической схемы на устойчивость РУ.

7.23. Влияние режима работы транзистора на устойчивость РУ.

7.24. Влияние коэффициента включения (связи) m на селективные свойства РУ.

8.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЗОНАНСНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

8.1. Анализ обобщенной эквивалентной схемы

8.1.1. Коэффициент усиления (передачи) РУ

На рис. 1б показана упрощенная схема РУ, где резонансный контур каскада, в котором в качестве усилительного элемента применен транзистор V1 , является входным, т. е. источником сигнала для каскада на транзисторе V2

Если напряжение на входе транзисторе мало, то он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника с зависимым генератором тока (рис.2), описываемого в системе У — параметров уравнениями

I1 = Y11U1 + Y12 U2 (1a)

I2 = Y21U1 + Y22U2 (1б)

все I, U комплексные величины (I = I, U = U)

Рис. 2. Обобщенная эквивалентная схема РУ, включающая в себя эквивалентную схему активного элемента (транзистора), проводимость источника сигнала и нагрузку

Для анализа Y-параметры можно представить в виде

Y11 = q11 + jωC11,Y22 = q22 + jωC22 ;

Y21= S=| Y21|exp (-jφ21), | Y21|= S=S0 ∕ (2)

φ21 = arctg (f/fS);

-φ12 = q12 +jb12 = |Y12|exp(jφ12),

где с учетом (п.1.5) в приложении 1

| У12| =b12 , φ12 = arctg(fS /f);

fSчастота, на которой | Y21|, т. е. S уменьшается в раз.

Полная обобщенная схема усилителя должна включать проводи­мость источника сигнала и нагрузку. Положим Y12=0. Тогда вы­ходная цепь транзистора V2 может быть представлена в виде рис. 3 или еще более простом рис. 4, — где источник тока , а напряжение на контуре .

По закону Ома в схеме рис. 4 (3)

где = , ,

;

Со- собственная емкость выходного контура ( с учетом емкости монтажа и межвитковой емкости катушки индуктивности) ;

Сн- емкостная составляющая нагрузки; знак «-» учитывает то обстоятельство, что направление вектора U противоположно (рис. 3).

Рис. 3. Эквивалентная схема выходной цепи транзистора при

По определению коэффициент усиления (передачи) РУ равен , поэтому после подстановки в (3) соответствующих значений имеем для комплексного коэффициента усиления

(4)

Так как

Рис. 4. Упрощенная эквивалентная схема выходной цепи транзистора

Входная проводимость каскада в соответствии с уравнением (1а) между клеммами 1-1 (рис. 2) равна:

Где обусловленная наличием внутренней ОС в транзисторе составляющая , с учетом того, что равна:

(5)

Проводимость называется динамической входной проводимостью, её знание нам потребуется в п. 8.2.1 при анализе устойчивости РУ.

8.1.2. Оптимизация коэффициента передачи РУ.

Оптимальное рассогласование

На основании (4) модуль коэффициента усиления РУ равен:

(6)

Это выражение после замены на S позволяет записать резонансный коэффициент усиления (при α = 0) в виде:

(7)

Соответствующим выбором коэффициентов включения m1 и m2 можно добиться максимального значения Ko.

Рассмотрим важный практический случай заданной полосы пропускания, т. е. найдем максимальный коэффициент усиления РУ Комакс при условии:

(8)

или с учетом того, что , подобном ему

Экстремум (7) получим, выразив m1(m2) в (8) через остальные величины, подставив полученное выражение в (7) и решив относительно m2(m1):

В обоих вариантах имеем:

(9)

Легко видеть, что условием оптимизации является в данном случае равенство вносимых проводимостей (затуханий) в контур со стороны источника сигнала (транзистора) и нагрузки:

Так как при этом не обеспечивается согласования ни с источником, ни с нагрузкой, данный случай можно назвать «оптимальным рассогласованием». Подставляя (9) в (7), получаем

(10)

Из (10) следует, что предельный коэффициент усиления достигается при

8.1.3 Коэффициент усиления РУ при согласовании с источником сигнала и нагрузкой.

Путь нахождения условных экстремумов (7) состоит в том, что при фиксированном решается относительно уравнение: Квазиоптимальные коэффициенты включения при этом определяются по формулам:

(11a)

(11б)

Из (11) следует, что максимум имеет место либо при согласовании контура и нагрузки с источником сигнала , либо при согласовании источника сигнала и контура с нагрузкой . Соответствующие коэффициенты усиления равны:

(12)

(13)

Они максимальны, если коэффициент (или ) равен 1, причем > при и, наоборот, при . Однако, если , контур сильно шунтируется и реализуется, лишь при широкой полосе пропускания РУ. Поэтому на практике при этом условии часто оказывается более целесообразно обеспечить согласование с нагрузкой.

Теперь, как и в п. 8.1.2, рассмотрим случай заданного (или ). В одном из вариантов (8) с учетом (11а) можно представить в виде , откуда следует:

(14)

Подставляя (14) в (12), находим максимальный коэффициент усиления РУ при согласовании с нагрузкой и заданной полосе пропускания:

(15)

Сравнивая (15) и (10) между собой, видим, что c на величину высшего порядка малости (при ).

8.2. Устойчивость РУ

8.2.1. Влияние внутренней ОС на устойчивость АЧХ РУ

,

где

или (16)

где согласно (2)

Выделяя обычным способом действительную и мнимую части (16), имеем

(17а)

(17б)

где обозначено

(18)

Функции ψ указывают на то, что активная (gОС) и реактивная (bОС) составляющие динамической входной проводимости в свою очередь, распадаются на две составляющие каждая; таким образом, за счет ОС возникают четыре составляющих дополнительных входной проводимости, каждая из которых с изменением текущей расстройки по-своему влияет на мгновенное значение коэффициента усиления РУ вследствие изменения формы АЧХ (и ФЧХ) колебательного контура на входе транзистора (V2).

Учитывая значение φ в (16), можно после некоторых пре­образований получить

, (19)

С учетом (19) и условия < 1 примерный вид функций характеризующих зависимости активной и реактивной составляющих динамической вход­ной проводимости от обобщенной расстройки α и относительной рабочей частоты , дан на рис. 5а, б.

Их поведение указывает на то, что наличие внутренней ОС в транзисторе приводит не только к изменению первоначальной формы (деформации) АЧХ входного контура и смещению положения ее мак­симума, но может привести даже к самовозбуждению РУ из-за наличия при определенных α < 0 активной составляющей отрицательного ха­рактера, которая может полностью скомпенсировать потери во вход­ном контуре.

Можно показать, что точки экстремумов функции соот­ветственно

,

Подставляя эти значения в первую формулу (18), убеждаемся, что Таким образом, удвоенная ампли­туда (размах) изменения активной проводимости, как это следует из (17а),

а)

б)

Рис. 5 Зависимость от обобщённой расстройки активной и реактивной составляющих динамической входной проводимости

8.2.2. Устойчивый коэффициент усиления транзисторного РУ

Введём коэффициент устойчивости.

(20)

численно равный относительному изменению эквивалентной проводимости входного контура, обусловленному влиянием проводимости обратной передачи Y12 в четырёхполюснике (внутренней ОС в транзисторе).

Разделим оба члена числина , подставим вместо его значение, одновременно умножив числитель и знаменатель второго члена на , учтем (7), (П1.4) и после некоторых преобразований получим*)

(21)

Здесь — коэффициент устойчивого усиления РУ, т. е. коэффициент усиления при заданном коэффициенте устойчивости.

Остановимся на расчете в (20) и (21). Прежде всего отметим, что при идентичных каскадах (, ) выражение (21) упрощается, а влияет на только косвенно через .

_______________________

*) Формула для в представленном виде впервые записана . .

В общем случае в силу (20) под следует понимать входную проводимость транзистора, найденную с уче­том добавки (рис. 5а), имеющей место при расстройке “”*), зависящей от параметров и рабочей частоты РУ. На самом деле, удобнее рассчитывать с учетом добавки имеющей место при (рис.5а), т. е., в соответствии с (17а), при , либо полагать .

Очевидно, при близких в 1 (обычно берут) все три метода оценки дают приблизительно одинаковый результат. Ниже, при расчете АЧХ на ЭВМ применяется второй метод, поскольку он позво­ляет осуществить нормировку АЧХ на фиксированной частоте (в от­личие от первого) и, в то же время, точнее, чем третий учитывает влияние ОС.

При расчете целесообразно брать в соответствии с (11) m2=m2C . Согласование с нагрузкой важно обеспечить, например, в случае применения РУ в качестве широкополосного антенного усилителя (ШАУ).

­­­­­­

8.2.3. Расчет АЧХ РУ на ЭВМ.

Для расчёта на ЭВМ за основу возьмём выражение для нормированной АЧХ контура на входе транзистора V2 при наличии ОС. Подобно зависимости в (3), для комплексной эквивалентной проводимости входного контура имеем:

(22)

где

,

,

Транзисторы V1 и V2 , предполагается, имеют одинаковые параметры. При одинаковой настройке контуров эквивалентные проводимости и ёмкости входного контура при (см. п.8.2.2) должны включать в себе также динамические входные проводимости и ёмкость, имеющие соответствующие значения при . Деформация АЧХ

будет обусловлена их приращениями при .

При с учетом (17а), (18):

(23)

Выписывать выражение для эквивалентной ёмкости нет необходимости, так как необходимая частота настройки контура обеспечивается соответствующим условным подбором . Таким образом,

_______________________

*) Указано

(24)

где, как нетрудно убедиться:

(25)

(26)

Подобно тому, как это сделано в (4), представим YЭ1 в виде

, (27)

где обобщённая расстройка входного контура равна

, , , .

Сгруппируем в (27) действительные и мнимые члены, вынося за скобки проводимость , возьмем модуль найденного­ выражения, после чего получим:

Нормированная АЧХ входного контура — величина, обратная под­коренному выражению (28), обозначим ее через Y1.

Учитывая (25), (26) и вводя обозначения , , ,

после некоторых преобразований имеем:

(29)

В (29) независимая переменная (параметр) , переменные R и k задаваться независимо не могут; в силу (20) . При расчёте R и k вводимыми переменными можно полагать m1, m2ВХ и f.

Можно исключить константу m2 при расчёте , взяв интересный для практики случай согласования с нагрузкой согласно (17б).

Тогда в (3) Gэ=Gэс=2(G0+m12g2) и, соответственно:

(30)

Исключить из расчетных формул и несколько упростить расчёт можно, разделив R на k

(31)

Теперь, задавшись коэффициентом устойчивости kУ , можно найти R=4(1-kУ), а затем соответствующее k, например, с учётом (30), по формуле

(32)

Данная формула положена в основу программы RPURU. BAS (в базе кафедры РПрУ). При подстановке (32) в (29) синтезируется АЧХ РУ, удовлетворяющая заданным m1, f, kУ при следующих независимых константах (их значения указаны с учётом параметров элементов лабораторного макета)

G0=1,2•10-5 ; g22=8•10-5; G01=0,6•10-5 ; g11=3•10-3;

m1 ВХ=0,02; S0=0,12; m2 ВХ=0,05; СК=10•10-12;

; L1=4,1•10-4; L=3,4•10-4; fS = 8•10-6

ПРИЛОЖЕНИЕ

Соотношение для проводимости обратной передачи (обратной связи) Y12=g12+jb12 в транзисторе, как в линейном четырёхполюснике.

Известные соотношения для активной и реактивной (ёмкостной) составляющих

(П.1.1)

(П.1.2)

где

Введём дополнительное значение: В=β0, fS/fгр=β0h11B/rB = h21Э, и подставим (1) и (2) в виде:

(П.1.3)

(П.1.4)

Введя понятие постоянной времени цепи ОС τос=С12/g12 и разделив (4) на (3), получим

(П.1.5)

ЛИТЕРАТУРА

1. , , Чистяков устройства. –М.: Радио и связь, 1986. С. 59-70; 43-48.

2. Радиоприёмные устройства / под ред. проф – М.; «Радио и связь», 2007 г.

Лабораторная работа №16

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО РЕЗОНАНСНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Редактор

Подписано в печать Формат 60х84/16. Объём 1,1 усл. п.л

Тираж 400 экз Заказ

ООО “Инсвязьиздат” Москва,

Источник: https://pandia.ru/text/80/331/83509.php

Исследование работы резонансного усилителя

Исследование резонансного усилителя.

Цель работы:исследование схемы транзисторногорезонансного усилителя и изучение егоосновных характеристик.

1 Введение

При усилениивысокочастотных колебаний в качественагрузочного сопротивления транзистораили электронной ламой можно использоватьпараллельный колебательный контур,настроенный в резонанс, с частотойусиливавши колебаний. Такой усилительназывается резонансный.

Резонансныйусилитель имеет ряд преимуществ посравнению с резисторным:

1. В резонансномусилителе входная емкость, емкостьсоединительных проводников и выходнаяемкость компенсируется настройкойконтура в резонанс, поэтому сопротивлениенагрузки, равное эквивалентномусопротивлению контура, может бытьбольшим и обеспечивает большое усиление.Резисторный усилитель, вследствиешунтирующего влияния емкостей на оченьвысоких частотах, не дает усиления.

2. В резонансномусилителе нет падения постоянногонапряжения на сопротивлении нагрузки,поэтому сопротивление нагрузки можновыбирать очень большим, что позволяетполучить более высокий коэффициентусиления.

3. Резонансныйусилитель обладает частотнойизбирательностью.

2.1 Коэффициент усиления

Коэффициентусиления есть отношение комплекснойамплитуды напряжения выходного сигналак комплексной амплитуде напряжениявходного сигнала.

(1)

Модуль этоговыражения характеризует изменение амплитудынапряжения,а угол– фазовый сдвиг, возникающий припрохождении сигнала через усилитель.

Зависимость модуля коэффициента усиленияот частоты подводимого сигнала называетсяамплитудно-частотной характеристикой(рисунок 1), а зависимость фазового сдвигаот частоты – фазо-частотной характеристикой(рисунок 2).

Вид частотных характеристикв основном определяется свойствамиколебательной системы, включенной вкачестве нагрузки в выходную цепьусилительного элемента.

Рисунок 1 – Амплитудно-частотная характеристика усилителяРисунок 2 – Фазо-частотная характеристика усилителя

При частоте ,равной собственной частоте колебательнойсистемы,коэффициент усиления достигаетмаксимального значенья и называетсярезонансным коэффициентов усиления.Отношениеназывается резонансной характеристикойусилительного каскада.

2.2 Избирательность

Избирательностьхарактеризует способность усилителявыделить напряжение полезного сигналаиз всей суммы напряжении различныхчастот.

Избирательность определяетсявидом резонансной характеристики ихарактеризуется числом, например, ,показывающим во сколько раз уменьшаетсякоэффициент усиления по сравнению срезонансным при данной расстройке,например,.

Чем большепри заданном,тем выше избирательность. Для болееполной характеристики избирательностиее частоты определяет двумя парамивеличин:,и,.

2.3 Полоса пропускания

Под полосойпропускания усилителя подразумеваетсяразность частот, определяемых изрезонансной характеристики, на которыхкоэффициент усиления падает в определенноечисло раз относительно своего резонансногозначения.

Обычно полосу пропусканияопределяет как разность частот, прикоторых коэффициент усиления падает враз, и обозначают,т.к. при этом.Таким образом,,где– есть величина отстройки от резонанснойчастоты. Ширина полосы пропусканиятакже зависит от вида резонанснойкривой.

Чем более пологая резонанснаякривая, тем больше полоса пропускания(рисунок 3).

Рисунок 3 – Резонансная характеристика одноконтурной системыРисунок 4 – Резонансная характеристика двухконтурной системы

Таким образом,требование высокой избирательности идостаточно широкой полосы пропусканияпротиворечивы. Для одновременногоудовлетворения этим двум требованиямрезонансная характеристика должнаиметь прямоугольную форму: плоскуювершину и вертикальные скаты.

В теориифильтров доказывается, что получениетакой идеальной характеристикипринципиально невозможно. Достаточнохорошее приближение к идеальнойхарактеристике можно получить, используяв качестве колебательной системыусилителя систему связанных контуров.

Примерный вид резонансной характеристикисистемы, образованной из двух связанныхконтуров, приведен на рисунке 4 (сплошнаялиния). Увеличение количества связанныхконтуров приближает характеристику кидеальной, но при этом, как показываетрасчет, существенно падает коэффициентусиления.

Поэтому применение многозвенныхсвязанных резонансных систем типа ФСС(фильтра сосредоточенной селекции)требует дополнительного усилениясигнала.

Источник: https://studfile.net/preview/1815623/

Исследование избирательных свойств резонансного усилителя

Исследование резонансного усилителя.

Nbsp; Кафедра РРС  

Лабораторная работа №2

по дисциплине

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ

Прохождение амплитудно-модулированных колебаний и радиоимпульсов через избирательную цепь

Вариант 12

Работу выполнил:

студент группы

РЭА-41-15

СанатулловаИльсия

Работу проверил:

доц. Михайлов А.Л.

Цель работы:изучение характеристик резонансного усилителя, характера искажений, возникающих при прохождении АМ — колебаний и радиоимпульсов через линейную избирательную цепь (резонансный транзисторный усилитель, работающий в режиме усиления малых сигналов).

Общие сведения.

Для изучения характера искажений при прохождении АМ — колебаний и радиоимпульсов через резонансный транзисторный усилитель важно знать амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики этой избирательной цепи. Одноконтурный резонансный усилитель может быть представлен в виде схемы замещения (рис. 5.1).

На схеме замещения SE1 — зависимый источник тока; Ri— внутреннее сопротивление источника; L иС— соответственно индуктивность и емкость колебательного контура в коллекторной цепи и — сопротивление резистора нагрузки. Передаточная функция для рассмотренной модели резонансного усилителя имеет вид

Здесь – максимальный коэффициент усиления, — обобщенная эквивалентная расстройка и  – отклонение частоты от резонансной. Справедливы следующие соотношения для используемых при этом анализе параметров: эквивалентной добротности, добротности, характеристического сопротивления и резонансной частоты, сответственно,

Передаточная функция может быть выражена через расстройку  и модулирующую частоту

Если обозначить через τkпостоянную времени контура резонансного усилителя (с учетом проводимости активного элемента)

то

Нормированная АЧХ усилителя представляется в виде (см. рис.5.2)

а нормированная ФЧХ (без учета не зависящего от частоты сдвига ) в виде

Относительная полоса пропускания резонансного усилителя определяется по ослаблению амплитуды на границе полосы до от максимального уровня (при аэкв=0); будучи выраженной через обобщенную расстройкуаэкв, она равна 2. Для перехода от

безразмерной относительной полосы пропускания 2 к размерной полосе положим .Тогда полоса пропускания

где Qэкв– добротность нагруженного контура. Выражение (5.7) позволяет найти Qэкв, если известна резонансная частота и расстройка , при которой выходное напряжение уменьшается до значения 0,707Eвых max.

Пусть на вход резонансного усилителя подается AM – колебание вида

где — начальная фаза модулирующей функции, а – начальная фаза несущего колебания. При использовании (5.4) напряжение на выходе резонансного усилителя будет иметь вид [1]

где

Первое слагаемое в фигурных скобках определяет вынужденное, а второе — свободное колебание. В стационарном режиме (при t >> ) выходное колебание имеет следующий вид:

Огибающая этого колебания отличается от огибающей второго колебания тем, что: 1) глубина модуляции выходного сигнала

меньше, чем глубина модуляции входного сигнала М; относительное уменьшение глубины модуляции может быть представлено в виде коэффициента демодуляции (см. рис. 5.3)

2) огибающая амплитуды на выходе отстает по фазе от огибающей входного колебания на угол

При расстройке, т.е. при в выходном сигнале возникают биения. Это видно, например, из того, что если не совпадают (рис. 5.4.а), коэффициенты усиления боковых частот входного сигнала будут разные, что приведет к симметрии боковых частот в выходном сигнале. Для случая симметрии боковых частот выходного сигнала на рис. 5.

4б построена векторная диаграмма напряжений. Здесь вектор OD изображает несущее колебание, фаза которого запаздывает относительно фазы входной эдсЕо(принятой равной нулю) на угол (что соответствует положительной расстройке > 0).

Амплитуда колебания верхней боковой частоты (вектор DC1) в данном случае значительно меньше амплитуды колебания нижней боковой частоты (вектор DC2). Длина разнодействующего вектора OF, изображающего результирующее колебание, изменяется по сложному закону, не совпадающему с гармоническим законом изменения огибающей эдс.

Этим объясняется искажение формы огибающей и возникновение паразитной фазовой модуляции колебания.

При подаче на резонансный усилитель с передаточной функцией (5.4) в момент времени t=0 гармонической эдс

напряжение не его выходе определится выражением (5.1)

Здесь  причем

С ростом сопротивления проводимость уменьшается и, следовательно, возрастает постоянная времени . При = 0 огибающая амплитуд выходного сигнала нарастает по закону 1-exp(-t/), так как

что непосредственно следует из (5.10). Отсюда следует, что с ростом , а следовательно, и с ростом значения крутизна фронта выгодного сигнала будет все более и болee уменьшаться.

При наличии расстройки  0 зависимость крутизны фронта от  значительно усложняется и определяется зависимостью (см. рис. 5.5)

Исходные данные для варианта 12:

Исследование избирательных свойств резонансного усилителя

1.1. Отключаем  R4 с помощью ключа S1 от контура. На вход усилителя подаем с генератора гармонический сигнал амплитудой около 1мВ.

Устанавливаем частоту гармонических колебаний равной резонансной частоте fp контура усилителя. Момент настройки в резонанс фиксируется по максимальной амплитуде Uвых.

max отклонения милливольтметра, подключенного к выходу схемы усилителя или по осциллограмме осциллографа при изменении частоты сигнала вблизи 1,5 МГц.

1.2. Определяем полосу пропускания 2 f0: для этого необходимо настроить частоту fo генератора относительно частоты fp так, чтобы амплитуда на выходе уменьшилась до уровня 0,707Uвых.max.

Расстройку производим в большую и меньшую стороны от резонансной частоты. Вычисляем значение полосы пропускания по формуле fp = fmax — fmin.

По найденному значению полосы определяем эквивалентную добротность резонансного усилителя Qэкв = fp/2 fp.

fp = fmax –fmin = 300 КГц.

Qэкв = fp/2 fp=2,65

1.3. Снимаем амплитудно-частотную характеристику усилителя.

1.4. Повторяем пункты 1.1 — 1.2 для случая включенного шунтирующего резистора R4.

Находим нижнюю граничную частоту

Верхняя граничная частота:

fp = fmax –fmin = 450 КГц.

Qэкв = fp/2 fp = 1,77

Амплитудно-частотная характеристика:

Источник: https://studopedia.net/7_30412_issledovanie-izbiratelnih-svoystv-rezonansnogo-usilitelya.html

Исследование резонансного усилителя

Исследование резонансного усилителя.

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО УСИЛИТЕЛЯ

      Цель работы — получение навыков экспериментального исследования резонансных транзисторных усилителей. 

      Резонансные усилители предназначены для усиления сигналов в узкой полосе частот. Они используются для выделения полезного сигнала определенной частоты или в радиоприемниках для приема одной радиостанции и подавления сигналов других.

      Узкополосность усилителя чаще всего достигается за счет использования резонансных явлений в LC — контурах. Наиболее просто резонансный усилитель получается заменой активного сопротивления коллекторной нагрузки параллельным колебательным контуром (рис.1). Сопротивление такого контура является функцией частоты подаваемых на него колебаний. 

          

Рис. 1. Зависимость сопротивления параллельного контура от частоты

      Максимальное сопротивление Roe контур имеет на резонансной частоте w0. По мере ухода от резонансной частоты сопротивление контура уменьшается и тем быстрее, чем больше его добротность.

     По такому же закону изменяется и коэффициент усиления резонансного усилителя. 

Рис.2.

     Кроме параллельных колебательных контуров находят применение и последовательные контуры, у которых Rоу на резонансной частоте минимальное. Включение такого контура в качестве коллекторной нагрузки приводит к обратному эффекту, т.е. на резонансной частоте усиление каскада резко уменьшается.

Такое включение используется на практике для подавления каких-либо нежелательных частот. Однако, с помощью последовательного колебательного контура возможно получить и результат, близкий по действию параллельного контура, включив его параллельно цепи обратной связи (рис.

3), В этом случае на резонансной частоте обратная связь резко уменьшается, что приводит к возрастанию коэффициента усиления каскада. 

Рис.3.

Описание лабораторной установки

      Исследуемые усилители собраны на специальной плате и выполнены на кремниевых транзисторах п-р-п структуры. На лицевой стороне платы изображены их принципиальные схемы. На обратной стороне выполнен весь монтаж.

      Предусмотренная коммутация элементов позволяет на данной плате выполнить исследование резонансных, усилителей и LC генератора.

      Сигнал высокой частоты, который надо усилить, подается от генератора ГЗ — 113 на входные клеммы и через разделительный конденсатор воздействует на базу транзистора. Резисторы R2 и R3 выполняют роль делителя смещения.

     В цепи эмиттера (рис. 2) включена цепочка термостабилизации, состоящая из параллельно соединенных сопротивления R4 и конденсатора С4.

     В коллектор этой схемы включена индуктивность L, которая совместно с конденсатором С2 или С2 + СЗ (если включить соответствующую перемычку) образует колебательный контур. С помощью сопротивления R5 можно уменьшить его добротность (качество контура).

     Конструктивно на одном каркасе с катушкой L размещается катушка связи L, которая через потенциометр R3 с помощью перемычек может быть подключена к входным зажимам. Эта катушка нужна для исследования транзисторного генератора. При выполнении работы «Резонансный усилитель» катушка связи не используется.

      Усиленное напряжение снимается с коллектора через разделительный конденсатор С5.

     Нижний на плате резонансный усилитель содержит последовательный резонансный контур LC3 , С4 в цепи эмиттера.

В области частот, близких к резонансной, эквивалентное сопротивление контура резко падает, что приводит к ослаблению отрицательной обратной связи через резистор R5 и к увеличению усиления каскада.

Потенциометром можно плавно регулировать добротность этого контура (R6), т.е. подъем частотной характеристики.

    Для выполнения исследований необходимы следующие приборы:
  1. Генератор сигналов ГЗ-113 . Этот прибор является искусственным источником входного сигнала, который подлежит усилению. Генератор позволяет установить входной сигнал желаемой частоты и величины.
  2. Вольтметр ВЗ-33, необходимый для измерения выходного напряжения усилителя.
  3. Осциллограф для наблюдения наличия и измерения частоты генерированных колебаний (при исследовании LC генератора).

 

Исследование усилителя с параллельным колебательным контуром (рис. 1)

  1.   Подать питание на исследуемые схемы.
  2. Подключить выходной кабель генератора ГЗ -113 к входным клеммам                                                                усилителя.
    3. Подключить вольтметр ВЗ-33 к входным клеммам. Примечание: производя соединения, соблюдать полярность включения.
  1. Обеспечить включение в контур только одного конденсатора С2 (убрать перемычки).
  2. Найти резонансную частоту усилителя с контуром LC. Для этого необходимо:
    а)  установить ручку «множитель» генератора в нужное положение;
    б)  плавно изменяя частоту генератора от 0,1 МГц до 1,0 МГц и поддерживая выходное напряжение генератора 0,01 В, найти положение максимального показания вольтметра ВЗ-33. Это положение соответствует резонансной частоте.
    Шкалы вольтметра, начиная с 1,0 В, переключать на больший предел    по мере подхода стрелки прибора к концу шкалы.
  1. Снять частотную характеристику Ки=φ(f). Для этого необходимо, 
    изменяя частоту сигнала, фиксировать показания вольтметра при постоянном входном напряжении 0,01 В.
    Вначале, например, идут в сторону увеличения частоты относительно резонансной и, таким образом, строится правая ветвь характеристики. Затем в сторону уменьшения частоты и строится левая часть.
    Результаты заносятся в табл. 1, по которой строится резонансная характеристика.
    Рассчитать величину L при емкости С2 = 470 пФ.
    7. Повторить шестой пункт для контура LC2, но меньшей добротности. Для этого параллельно контуру включить сопротивление R5.
    8  .Найти резонансную частоту нового колебательного контура LС2+СЗ) и снять частотную характеристику.
    Для этого необходимо отключить R5 и включить СЗ.
      Плавно изменяя частоту генератора от 0,1 МГц до 1,0 МГц и поддерживая выходное напряжение генератора 0,01 В, найти положение максимального показания вольтметра ВЗ-33. Это положение соответствует резонансной частоте.
    9. Снять частотную характеристику усилителя с колебательным кон туром в цепи эмиттера (нижнего на плате) в 2-х случаях:
    а) емкость контура — С4 = 470 пФ,
    б) емкость контура — С4+СЗ. В обоих случаях используется С4.
  1. Исследование автогенератора. В верхней плате на схеме ввести обратную связь, включив посредством перемычек выход потенциометра R3 на вход усилителя
  2. Подключить к выходу усилителя осциллограф.
  3. Убедиться в наличии колебаний генератора. Если генерация отсутствует, поменять полярность обратной связи.
  4. С помощью временных меток осциллографа или делений на экране измерить частоту колебаний генератора.

 

Таблица 1для рис.2.(без С3,R5)

Ffp
f,(МГц)0,10,20,30,40,50,60,70,80,9
Uвых,(В)0,0330,0330,0330,0350,040,10,0350,030,03
Кu3,33,33,33,54103,533

   

Частотная характеристика Кu=φ(f) 

                                          Таблица 2для рис.2.(без С3)

Ffp
f,(МГц)0,10,20,30,40,50,60,70,80,91
Uвых,(В)0,0930,0930,0960,1140,1320,1980,1620,1380,1320,126
Кu9,39,39,611,413,219,816,213,813,212,6

 

Частотная характеристика Кu=φ(f) 

 Таблица 3для рис.2.(без R5)

Ffp
f,(МГц)0,10,20,30,40,50,60,70,80,91
   Uвых,(В)0,150,150,1560,1860,30,1680,1620,1590,1580,156
Кu151515,618,63016,816,215,915,815,6

Источник: https://student.zoomru.ru/fiz/issledovanie-rezonansnogo-usilitelya/75338.616206.s1.html

2.2. Резистивный и резонансный усилители

Исследование резонансного усилителя.

Резистивный усилитель

Резистивный усилитель – это усилитель, у которого в качестве нагрузки используются резисторы.

Так как в этом усилителе из-за от­сутствия катушек индуктивности (индуктивностью выводов элемен­тов пренебрегаем) не возникает колебательных процессов, то резистивный усилитель часто называют апериодическим усилителем. Резисторы в резистивном усилителе используются в качестве внут­ренней и внешней нагрузки.

Схема однокаскадного резистивного усилителя с общим эмиттером (рис. 2.5) при прочих равных условиях дает наибольший коэффициент уси­ления по мощности.

В качестве внутренней и внешней нагрузки ис­пользуются резисторы RK и RH соответственно.

Внешний нагрузочный резистор может отсутствовать, если в качестве внутренней коллек­торной нагрузки включены громкоговоритель, реле, линия связи и т.п. Назначение разделительных и блокировочных конденсаторов в схеме мы уже рассмотрели.

От рассмотренной простейшей схемы усилителя с ОЭ  схему (рис. 2.5) отличают две особенности:

первая – использование вместо источника смещения (ЕБЭ) резистивного делителя напряжения, состоящего из резисторов R1 и R2. Делитель используется для экономии – не требуется дополнительного относительно сложного и доро­гостоящего источника питания.

Сопротивления резисторов делителя подбирают так, чтобы на базу относительно эмиттера поступала толь­ко часть напряжения питания, равная открывающему напряжению ЕБЭ = 0,5…0,8 В.

В простейших схемах резистор R2 исключают и ус­танавливают открывающее напряжение с помощью одного резистора R1;

вторая – использова­ние резистора . Сопротивление этого резистора равно = 0,1…1 кОм. Его назначение – обеспечить температурную стаби­лизацию параметров каскада. Стабилизация возникает благодаря воз­никающей отрицательной обратной связи, свойства которой будем рассматривать далее.

Работа резистивного усилителя при подаче на вход гармоническо­го сигнала иллюстрируется диаграммой токов и напряжений (рис. 2.6). На рис. 2.6, а приведена передаточная характе­ристика транзистора.

Это зависимость выходного тока коллектора от управляющего напряжения между базой и эмиттером.

На характери­стике показана рабочая точка, соответствующая открывающему на­пряжению EБЭ = 0,5… ,8 В и постоянному току коллектора IКО (для маломощных транзисторов IКО = 0,1…10 мА).

На рис. 2.6, в приведена зависимость от времени напряжения на базе транзистора, равного сумме напряжения смещения (ЕБЭ)  и входного переменного сигнала.

Амплитуда переменного сигнала для обеспечения линейного режима работы усилителя не должна превышать 0,1 В. Зависимость тока коллектора от времени, показана на рис. 2.6, б. График получен на основе кривых рис. 2.6, а и рис. 2.

6, в. Порядок построения показан стрелками и штриховыми линиями.

Как видим, при увеличении входного напряжения увеличивается ток коллектора транзистора (см. рис. 2.5). Переменная составляющая этого тока, протекая по резисторам    и   создает на коллекторе транзистора переменное напряжение (рис. 2.

6, г).

Отметим, что при увеличении тока коллектора напряжение на коллекторе уменьшается, так как увеличивается падение напряжения на резисторах  и   – так возникает дополнительный фазовый сдвиг между входным и вы­ходным напряжениями, равный 180°.

Напряжение на выходе усилите­ля, возникающее на резисторе будет содержать только перемен­ную составляющую. Постоянное напряжение на коллекторе транзистора, равное UКО = ЕП – RКIКО отделено от резистора   выход­ным разделительным конденсатором.

Показатели резистивного усилителя легко получить, используя ра­нее полученные формулы. Входная проводимость резистивного уси­лителя с учетом резистивного делителя равна:

Выходное сопротивление равно:

.

При  коэффициент усиления усилителя равен:

26_4.gif>.

Например, если крутизна мало­мощного транзистора S = 20 мА/В, а сопротивление нагрузки RH = 0,5 кОм, то модуль коэффициента усиления по напряжению резистивного усилителя равен К0 = 10.

Отметим, что эти показатели получены на так называемых средних частотах входного сигнала, когда со­противления разделительных и блокировочных конденсаторов пре­небрежимо малы, а инерционность транзистора и его паразитные ем­кости не учитываются. Область средних частот (СЧ) показана на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) резистивного усилителя (рис. 2.7).

В области низких частот (НЧ) коэффициент усиления уси­лителя уменьшается из-за увеличения емкостных сопротивлений раз­делительных конденсаторов.

На нулевой частоте сопротивление раз­делительных конденсаторов равно бесконечности, и коэффициент усиления усилителя равен нулю. С уменьшением частоты увеличива­ются также сопротивления блокировочных конденсаторов.

Как прави­ло, это тоже приводит к уменьшению усиления усилителя.

На высоких частотах (ВЧ) начинают сказываться инерци­онность транзистора, емкости его переходов, а также паразитные ем­кости монтажа, возникающие между выводами радиоэлементов и корпусом устройства. Указанные емкости невелики. Однако с ростом частоты сопротивление внутренних емкостей транзистора и паразитных

емкостей монтажа уменьшается, и в пределе, при f ® ¥, выводы транзистора по переменному напряжению оказываются закороченными, а выводы радиоэлементов – соединенными с корпусом. Поэтому коэффициент усиления усилителя с ростом частоты уменьшается в пределе до нуля.

Для описания частотных свойств резистивного усилителя вводятся две граничные частоты: fНЧ и fВЧ – граничные частоты для областей низких и высоких частот соответственно (рис. 2.7). Как правило, они определяются при условии равенства 0,707 от значения коэффициента усиления усилителя в области средних частот. Например, для телефонных кана­лов связи эти частоты обычно равны:

fНЧ = 300 Гц;              fВЧ = 3400 Гц.

Все усилители для телефонной линии должны обеспечивать усиление в указанном диапазоне частот. В противном случае ухудшится качество связи, и, например, будет плохо работать модем компьютера.

Резонансный усилитель

Резонансный усилительэто усилитель, в качестве нагрузки ко­торого используется колебательный контур. В схеме резонансного усилителя с общим эмиттером (рис. 2.8) в качестве коллекторной нагрузки используется па­раллельный колебательный контур.

Подадим на вход каскада напря­жение с частотой (w), равной резонансной частоте колебательного кон­тура:

С такой же частотой будет изменяться ток коллек­тора, вызывая колебания в контуре. Как известно, на резонансной частоте индуктивная и емкостная составляющие проводимости конту­ра одинаковы, аих сумма равна нулю:

Следовательно, переменный ток коллектора будет протекать только по резисторам RК и RН (см. рис. 2.8).

Так как, как правило, RК >>RН, то большая часть тока поступает на выход каскада, создавая на резисторе нагруз­ки RH большое выходное напряжение.

Если частота входного сигнала (w) больше или меньше резонансной частоты (wР), то взаимной компен­сации проводимостей катушки и конденсатора контура не происходит, и переменный ток начинает ответвляться через катушку или конден­сатор, не поступая на выход каскада.

Амплитудно-частотная характеристика резонансного усилителя имеет вид (рис. 2.9). На ней отмечены резонансная частота усили­теля (fР), максимальный коэффициент усиления (К0) и полоса пропуска­ния усилителя (П), определяемая по уровню 0,707К0..

Найдем основные показатели резонансного усилителя: коэффици­ент усиления, АЧХ и полосу пропускания. Используя формулу (2.1) для усилителя с общим эмиттером и учитывая, что проводимость па­раллельного контура равна

,

получим:

Источник: https://electrono.ru/2-2-rezistivnyy-i-rezonansnyy-usiliteli-electronika_lanovenko

Biz-books
Добавить комментарий