Материал: Радиотехнические цепи и сигналы для дистанционного обучения. Останков А.В
кали (Vertical scale) — в децибелах (Decibel). Зарисовать верхнюю кривую, прибавляя к значениям её точек 60 дБ. Сравнить полученную логарифмическую АЧХ с ранее снятой АЧХ в линейном масштабе. Сделать выводы.
Определить полосу пропускания усилителя.
Полосу пропускания усилителя следует определять по графику АЧХ. Если это АЧХ в линейном масштабе, то уровень, по которому оценивается полоса, должен составлять 0.707 от максимального значения, если же используется логарифмическая АЧХ, то уровень оценки полосы должен быть на 3 дБ меньше максимального. Результат занести в отчёт.
4.4.4. Исследование влияния ёмкостей на характеристики усилителя
Исследовать влияние разделительной ёмкости на форму АЧХ усилителя.
Подключить тумблером S3 (переведя его в нижнее положение клавишей «3») разделительную ёмкость С4 на выходе усилителя. Установить её максимальное значение (100 % от номинала; клавиши «Shift» + «С»). Снять логарифмическую АЧХ усилителя и зарисовать её в отчёт. Определить по АЧХ нижнюю граничную частоту полосы пропускания, занести её в отчёт. Уменьшить значение ёмкости С4 вдвое (50 % от номинала; клавиша «С»). Вновь снять логарифмическую АЧХ и нанести её поверх первой. Определить по АЧХ нижнюю граничную частоту полосы пропускания, внести её в отчёт. Выяснить, во сколько раз изменилась нижняя граничная частота при уменьшении вдвое ёмкости С4.
Исследовать влияние паразитной ёмкости на форму АЧХ усилителя.
Отключить ёмкость С4. Подключить тумблером S2 (переведя его в верхнее положение клавишей «2») ёмкость С2 на выходе усилителя. Установить её половинное значение (50 % от номинала). Снять логарифмическую АЧХ усилителя и зарисовать в отчёт. Определить по АЧХ полосу пропускания, занести её в отчёт. Сравнить с ранее измеренным значением (при отключенной емкости С2). Увеличить значение емкости С2 вдвое (100 % от номинала). Вновь снять логарифмическую АЧХ и нанести её поверх полученной ранее. Определить по АЧХ полосу пропускания, занести её значение в отчёт. Выяснить, как изменилась полоса пропускания при увеличении ёмкости С2 вдвое. Сделать выводы.
Исследовать влияние паразитной ёмкости на форму усиливаемого видеосигнала.
Установить минимальное значение ёмкости С2. Подать на вход усилителя гармоническое колебание с параметрами из предыдущего пункта. В ходе моде-
45
лирования изменить тип колебания на входе усилителя, заменив гармоническое колебание последовательностью прямоугольных импульсов. Увеличивая ёмкость С2 (клавишами «Shift» + «N»), отслеживать изменение формы выходного сигнала. В отчет занести осциллограммы выходного колебания при разных значениях паразитной ёмкости (в том числе, наибольшей). Сделать выводы о влиянии ёмкости С2 на форму усиливаемого сигнала. Сопоставить осциллограмму выходного сигнала при наибольшей величине ёмкости с сигналом, ожидаемым на выходе идеального интегратора. Получить спектр входного сигнала (команда «Fourier ...»; Output node = 1; Fundamental frequency = (9 + N) кГц) и зарисовать его в отчёт. Выяснить, какой формы участок ЛАЧХ усилителя (при С2 = 100 %) соответствует частотам входного сигнала. Сделать выводы.
Исследовать влияние разделительной ёмкости на форму усиливаемого видеосигнала.
Отключить ёмкость С2, подключить С4. Установить максимальное значение С4. Подать на вход усилителя последовательность прямоугольных импульсов. Уменьшая емкость С4 (клавишей «С»), отслеживать изменение формы выходного сигнала. В отчёт занести осциллограммы выходного колебания при разных значениях разделительной ёмкости (в том числе, наименьшей — 1 %). Сделать выводы о влиянии ёмкости С4 на форму сигнала. Сравнить осциллограмму выходного сигнала при наименьшей величине емкости С4 с сигналом, ожидаемым на выходе идеальной дифференцирующей цепи. Сделать вывод (привлечь результаты измерения ЛАЧХ усилителя и спектра амплитуд входного сигнала).
Контрольные вопросы к защите работы
1.Что такое идеальный усилитель? Характерны ли для него искажения сигнала? Какие виды преобразований сигналов не относят к искажениям?
2.Каковы должны быть частотные характеристики (АЧХ, ФЧХ) неискажающего (идеального) усилителя и почему? Возможна ли практическая реализация таких характеристик?
3.Что такое активный элемент? Привести примеры. Какими характеристиками описывается активный элемент? При каких условиях активный элемент можно считать линейным?
4.Записать уравнение нагрузочной прямой усилителя применительно к резистивной нагрузке транзистора. Как с её помощью определить режим транзистора по постоянной составляющей? От чего зависит наклон нагрузочной прямой и её положение по вертикали?
5.Каким способом на управляющий электрод транзистора обеспечивается подача напряжения смещения? Изобразить разные варианты схем смещения. Как рассчитываются параметры элементов этих схем?
46
6.Изобразить схему замещения линейного активного элемента. Пояснить, как определяется практически параметры элементов такой схемы? Почему такую схему нельзя использовать на высоких частотах?
7.Изобразить упрощённую принципиальную электрическую схему апериодического усилителя. Показать, как на её основе получить схему замещения усилителя по переменной составляющей.
8.Изобразить качественно АЧХ (ФЧХ) апериодического усилителя. Чем обусловлено её поведение в области нижних частот? Верхних частот?
9.Применительно к каким сигналам реальный апериодический усилитель можно считать практически идеальным? При ответе использовать частотные характеристики.
10.От чего зависит коэффициент усиления апериодического усилителя на средних частотах? Что следует предпринять для увеличения усиления проектируемого усилителя?
11.Чем определяется полоса пропускания линейного апериодического усилителя? Что следует предпринять, чтобы её расширить?
12.Что такое логарифмические частотные характеристики линейной цепи? В чём их преимущество? Изобразить качественно логарифмические частотные характеристики линейного апериодического усилителя?
13.Какие искажения усиливаемого сигнала называют амплитудными? Фазовыми? Линейными? Нелинейными? Указать причину возникновения каждого вида искажений. Привести рекомендации по минимизации указанных искажений.
14.Предполагается осуществить линейное усиление последовательности прямоугольных видеоимпульсов длительности 0.01 мс. Какова должна быть полоса пропускания апериодического усилителя, чтобы искажения сигнала были в пределах допустимых?
15.Как в линейном апериодическом усилителе реализовать режим приближённого дифференцирования усиливаемого сигнала? Ответ прокомментировать на основе частотных характеристик.
16.Каковы характеристики и способ реализации интегрирующего усилителя?
17.Как изменится форма прямоугольного импульса при его прохождении через апериодический усилитель, обладающий большой выходной ёмкостью транзистора?
18.Что помимо усиления будет происходить с последовательностью пилообразных импульсов в апериодическом усилителе с разделительной ёмкостью малой величины?
19.Привести частотные характеристики идеального интегратора. Изобразить вариант схемы его реализации.
20.Изобразить АЧХ и ФЧХ идеальной дифференцирующей цепи. Какими номинальными значениями должны обладать элементы RC-цепи, чтобы её можно было считать дифференцирующей?
Литература: [1, с. 120-125; 130-136], [2, с. 202-207; 209-213; 217-219; 252-261], [3, с. 205-206].
47
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ЛИНЕЙНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
5.1. Цель работы
Цель работы — изучить особенности линейного усиления амплитудномодулированных сигналов. Уяснить, как должны соотноситься параметры усиливаемого колебания и элементов схемы резонансного усилителя для минимизации линейных искажений.
5.2. Краткие теоретические сведения
На рис. 29 изображена принципиальная электрическая схема резонансного усилителя. Он построен на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. В выходную (коллекторную) цепь транзистора включен параллельный колебательный контур, обладающий добротностью Q и резонанс-
ной частотой fP =1/(2π 
L C ). Питание усилителя осуществляется от источника постоянного напряжения EП. Напряжение смещения на базу транзистора подается от EП; с помощью сопротивления RБ обеспечивается требуемая величина постоянного тока базы (смещение фиксированным током). Разделительные ёмкости СР предотвращают изменение режима транзистора по постоянной составляющей при подключении к усилителю источника входного сигнала и нагрузки. Сопротивление RВХ имитирует входное сопротивление следующего за усилителем функционального блока.
+ЕП |
L |
С |
|
|
|
||
|
RБ |
|
|
CР |
|
CР |
|
u1 |
|
RВХ |
u2 |
|
Рис. 29 |
|
|
Для обеспечения линейного режима работы резонансного усилителя исходную рабочую точку на вольтамперных характеристиках транзистора выводят на линейные участки (на входной и проходной ВАХ – напряжением смещения UБ 0, на выходной — напряжением питания EП). Уровни входного и выходного колебаний не должны приводить к выходу рабочей точки в процессе усиления сигнала на нелинейные участки (загибы) вольтамперных характеристик (рис. 30).
48
iБ = υ(uБ) |
|
|
uK = UК0 |
|
|
|
|
IБ0 |
∆i |
Б |
РТ |
|
|
||
|
|
|
∆uБ |
EП |
iK = φ(uK) |
|
|
|
RК |
+ IK0 |
iБ2 |
|
|
|
|
|
||
iK2 |
РТ |
IБ0 |
∆iK |
|
IK0 |
||||
|
|
|
iK1 
iБ1
∆uK
UБ0 |
uБ |
UК0 = EП |
uK |
0 |
|
0 |
|
а |
|
б |
|
|
Рис. 30 |
|
|
В линейном режиме работы транзистор разумно рассматривать как линейный четырёхполюсник, полностью описываемый своими параметрами. На нижних и средних частотах целесообразно использовать систему h-параметров; при этом каждый h-параметр может быть определён графоаналитическим методом с использованием ВАХ транзистора:
h |
≈ |
|
∆uБ |
|
|
|
|
|
|
|
(рис. 30,а), |
h |
|
≈ |
∆uБ |
|
|
|
, |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
11 |
|
|
∆iБ |
|
uК =UК0 |
|
12 |
|
|
∆uК |
|
iБ =IБ0 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(26) |
|||||||||||||||
h21 |
≈ |
iК 2 |
−iК1 |
|
|
|
|
(рис. 30,б), |
h22 |
≈ |
∆iК |
|
|
|
|
|
|
(рис. 30,б). |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
iБ 2 |
−iБ1 |
|
|
|
∆u |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
u |
К |
=U |
К 0 |
|
|
|
|
К |
|
|
iБ=IБ0 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
С точки зрения схемы замещения по переменной составляющей (рис. 31) линейный резонансный усилитель (рис. 29) на нижних и средних частотах представляет собой питаемый идеальным источником тока эквивалентный колебательный контур (рис. 31), сопротивление потерь (rЭ) которого в (1 + RK/RII) больше собственных потерь (r) реального контура. Под RII подразумевают совокупное сопротивление элементов, шунтирующих колебательный контур по переменной составляющей: RII = Ri·RВХ/(Ri + RВХ). Компле́ксный коэффициент передачи усилителя по напряжению, рассчитанный по схеме на рис. 31, —
|
|
|
|
|
|
|
|
Kɺ(ω) = − |
S RKЭ |
, |
(26’) |
|
|
|
|
|
|
|
|
1+ j ξЭ(ω) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где S — крутизна статической проходной ВАХ в рабо- |
|||
S u1 |
|
|
|
L |
|
|
|
чей точке; может быть |
оценена по |
проходной ВАХ |
|
|
|
|
|
|
С |
( S ≈ ∆iK /∆uБ ) вблизи рабочей точки или рассчитана как |
|||||
|
|
|
|
rЭ |
|
|
u2 |
h21/h11; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
RК Э — сопротивление эквивалентного контура на |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
резонансной частоте: |
|
|
|
|
Рис. 31 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
49