Материал: Радиотехнические цепи и сигналы для дистанционного обучения. Останков А.В
RК Э = RК / (1 + RК/Ri + RК/RВХ); |
(27) |
его величина определяется резонансным сопротивлением RК = L/(С r) включенного в коллекторную цепь контура, входным сопротивлением RВХ последующего каскада и выходным дифференциальным сопротивлением транзистора Ri; величина последнего определяется параметром h22: Ri = 1/h22;
ξЭ (ω) — эквивалентная обобщенная расстройка: ξЭ (ω) ≈ 2QЭ (ω−ωР )/ωР; QЭ — эквивалентная добротность усилителя:
|
|
|
(28) |
QЭ = Q / (1 + RК/Ri + RК/RВХ) = L/C /rЭ . |
|||
АЧХ линейного резонансного усилителя (модуль комплексного коэффициента передачи Kɺ(ω)) имеет колоколообразную форму (рис. 32, а) и определяется в окрестности резонансной частоты как
K( f ) = |
|
S RKЭ |
|
|
|
|
|
; |
(29) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1+[2 Q ( f − f |
Р |
)/ f |
Р |
]2 |
||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
Э |
|
|
|
|
|
|||
при этом коэффициент усиления на резонансной частоте равен
K0 =S RKЭ. |
(30) |
K(f) |
ϕ( f ) + 180° |
K0
а K0 
2 ПЭ
fР f
б
45°
fР f
−45°
Рис. 32
ФЧХ усилителя (рис. 32, б) определяется соотношением:
50
|
|
f − fР |
|
|
ϕ( f ) = −arctg |
2QЭ |
|
−π. |
(31) |
|
||||
|
|
fР |
|
|
Полоса пропускания линейного резонансного усилителя всегда шире полосы пропускания контура П:
Пf Э = Пf (1 + RК/Ri + RК/RВХ), |
(32) |
где Пf = fP/Q = r/(2πL).
При подаче на вход усилителя АМ-колебания с тональной модуляцией (информационный сигнал — гармонический) и частотой несущей, равной резонансной частоте контура,
u1(t) = U0 1 [1 + М1 cos(Ωt + φ1)] cos(ωP t + ψ0), |
(33) |
выходное напряжение представляет собой также тонально-модулированное частотой Ω = 2πF колебание:
u2(t) = U0 2 [1 + М2 cos(Ωt + φ2)] cos(ωP t + ψ0 – π), |
(34) |
у которого амплитуда несущей U0 2 в K0 = S RК Э раз больше чем на входе, коэффициент модуляции М2 меньше входного —
M2 |
= |
|
M1 |
|
|
= |
|
M1 |
|
|
|
, |
(35) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1+(2 Q Ω/ω |
)2 |
1+(2 F/П |
f Э |
)2 |
|||||||||
|
|
|
Э Р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
огибающая амплитуд запаздывает по фазе относительно огибающей на входе на
|
|
|
Ω |
|
|
F |
|
|
|
ψ1−ψ2 |
= arctg |
2QЭ |
|
|
= arctg |
2 |
|
. |
(36) |
|
|
||||||||
|
|
|
ωP |
|
|
Пf Э |
|
||
51
Форма огибающей амплитуд сигнала при его усилении не изменяется: она лишь масштабируется (в сторону увеличения значений) и задерживается цепью (рис. 33). Следовательно, искажения информационного сигнала при усилении колебания с тональной модуляцией не наблюдаются, несмотря на неравномерность АЧХ и нелинейность ФЧХ усилителя.
u1(t) |
u2(t) |
Рис. 33
Искажения информационного сигнала проявляются в случае, если огибающая амплитуд усиливаемого АМ-колебания представляет собой многочастотную функцию. Причина появления искажений состоит в следующем. Спектральные составляющие сложной огибающей обладают разными частотами, а следовательно, характеризуются разной степенью уменьшения глубины модуляции и запаздывания в усилителе. В совокупности это приводит к нарушению формы огибающей на выходе по сравнению со входом. Чем более несовершенными являются частотные характеристики усилителя в пределах ширины спектра входного сигнала, тем выше уровень линейных искажений.
5.3. Описание виртуального стенда
Для выполнения исследований необходимо загрузить схемный файл «Resonant amplification.ewb». Схема виртуального стенда после загрузки файла выглядит примерно так, как показано на рис. 34.
S1 |
|
|
|
[1] |
Lk |
|
E |
|
|
||
|
115 H |
|
|
|
Ck |
20 V |
|
|
|
||
|
|
5.8 nF |
|
|
r |
Ω |
Rb |
3.5 |
|
|
|
|
АМ |
|
Cp |
S2 |
|
6 |
|
|
[2] |
So |
Kam 1 |
Cp |
|
|
fo |
|
|
|||
2 |
VT |
|
|||
|
|
|
|
Rs |
|
E2 |
|
|
|
2N3904 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Re |
S3 |
|
|
|
|
|
[3]
Рис. 34
52
Резонансный усилитель построен на биполярном транзисторе VT, включенном по схеме с общим эмиттером. Конкретная модель транзистора определяется номером варианта и устанавливается после загрузки файла в соответствии с таблицей исходных данных (табл. 14). По умолчанию указан транзистор модели 2N3904.
|
|
|
|
|
|
Таблица 14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметры элементов резонансного усилителя |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
Транзистор и цепь питания |
Резонансный контур |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
Тип |
Напряжение |
Эмиттерное |
Индуктивность, |
Емкость, |
Сопротивление |
||
|
|||||||
|
транзистора |
питания, В |
сопротивление, |
мкГн |
нФ |
потерь, Ом |
|
|
|
|
Ом |
|
|
|
|
1 |
2N2222A |
15 |
15 |
200 |
8.1 |
7.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2N4286 |
25 |
20 |
230 |
6.5 |
9.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
2N3904 |
20 |
20 |
155 |
9.0 |
7.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
BC850B |
25 |
10 |
230 |
5.6 |
20.0 |
|
5 |
2N2222A |
30 |
25 |
180 |
6.7 |
6.5 |
|
6 |
2N4286 |
20 |
40 |
150 |
7.5 |
3.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
2N3904 |
15 |
10 |
210 |
5.0 |
16.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
BC850B |
30 |
15 |
190 |
5.2 |
9.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
2N2222A |
25 |
25 |
150 |
6.2 |
5.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
2N4286 |
10 |
10 |
120 |
7.3 |
8.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
2N3904 |
20 |
15 |
150 |
5.5 |
14.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
BC850B |
25 |
15 |
170 |
4.6 |
8.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
2N2222A |
35 |
10 |
195 |
3.8 |
16.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
2N4286 |
10 |
30 |
175 |
4.0 |
9.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
2N3904 |
20 |
20 |
115 |
5.8 |
3.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Питание транзистора производится от источника напряжения Е. Смещение на базу обеспечивается с помощью сопротивления Rb, подключенного к источнику Е последовательно с переходом «эмиттер-база» (смещение фиксированным током). Постоянное напряжение смещения на базе UБ 0 (относительно «земли») измеряется в ноде 2. В выходную цепь транзистора включен простой параллельный контур Lk,Ck с суммарными потерями в элементах, равными r. Выходное напряжение снимается с коллектора и через разделительную емкость Ср подается на вход осциллографа (канал «В», см. рис. 34). Выход усилителя зашунтирован резистором Rs, величина сопротивления которого по умолчанию составляет 100 кОм.
Для обеспечения стабильности коэффициента усиления и снижения уровня паразитных колебаний на выходе усилителя в цепь эмиттера транзистора включен резистор обратной связи Re. Следует помнить, что его наличие приво-
53
дит к снижению крутизны S и увеличению выходного дифференциального сопротивления Ri усилительного элемента.
Если переключатель S1, управляемый клавишей «1», перевести в верхнее положение, то на вход усилителя от функционального генератора (Function Generator) через разделительную ёмкость Ср подается высокочастотное немодулированное гармоническое колебание. Если переключатель S1 переведён в нижнее положение, усиливаемый сигнал представляет собой амплитудно-модулиро- ванное колебание, снимаемое с выхода идеального модулятора «АМ», исследованного во второй работе. В качестве модулирующего низкочастотного сигнала при формировании АМ-колебания используется напряжение функционального генератора. Однако к управляющему входу модулятора можно подключить дополнительный источник гармонического напряжения E2 (переводом в левое положение переключателя S2, управляемого клавишей «2»). При этом сигналы по обоим управляющим входам модулятора суммируются.
Сигнал на входе усилителя может быть изучен с помощью осциллографа (канал «А»). Достаточно перевести переключатель S3 (клавишей «3») в левое положение.
5.4.Задания и указания к их выполнению
5.4.1.Подготовка усилителя к экспериментальным исследованиям
Установить заданные параметры элементов схемы усилителя.
Выяснить по табл. 14 соответствующий Вашему номеру варианта конкретный тип транзистора. После загрузки схемного файла «Resonant amplification.ewb» выделить мышкой транзистор, двойным щелчком активировать меню «Component Properties» и выбрать из библиотек 2n, 2n3xxx, nationl2 или zetex (закладка «Models») заданную модель.
Установить заданные в табл. 14 (по вариантам) напряжение источника питания (источник Е, рис. 34), величину сопротивления обратной связи в цепи эмиттера (Rе) и номинальные значения элементов контура: индуктивности (Lk), емкости (Ck), сопротивления потерь (r).
Обеспечить подачу на базу транзистора заданного постоянного напряжения смещения.
Последовательным перебором установить такое значение сопротивления Rb в цепи смещения, чтобы постоянное напряжение на базе транзистора относительно «земли» (в ноде 2) составило заданную в табл. 15 величину. Для этого следует снять в автоматизированном режиме зависимость напряжения в ноде 2 от величины сопротивления Rb, активировав команду «Parameter Sweep ...» ме-
54