Материал: Радиотехнические цепи и сигналы для дистанционного обучения. Останков А.В

6.3. Описание виртуального стенда

Работа выполняется с использованием схемного файла «Non-linear resonant amplification.ewb».

Рабочее поле файла после загрузки показано на рис. 42.

Рис. 42

Резонансный усилитель построен на биполярном транзисторе VT, включенном по схеме с общим эмиттером. Питание транзистора производится от источника постоянного напряжения Еk. Смещение на базу обеспечивается с помощью отдельного источника постоянного напряжения Ес так, что напряжение смещения UБ 0 оказывается в точности равным ЭДС источника Ес (необходимость контроля величины UБ 0 при этом отпадает). В выходную цепь транзистора включен простой параллельный контур Lk,Ck с резонансным сопротивлением Rk. Выходное напряжение снимается с коллектора и через разделительную ёмкость подается на вход осциллографа (канал В). Выход усилителя зашунтирован сопротивлением Rs, величина которого по умолчанию составляет 1 МОм.

В работе предусмотрена возможность замены резонансной нагрузки (колебательного контура) резистивной (сопротивлением R) с помощью переключателя, управляемого клавишей «Space». Это даёт возможность наблюдать (в противоположной полярности) осциллограммы выходного (коллекторного) тока усилителя (транзистора).

70

6.4.Подготовительное расчётное задание

6.4.1.Начертить исследуемую в работе схему нелинейного усилителя и уяснить принцип его работы.

Полагая режим работы усилителя недонапряжённым, изобразить применительно к резистивной нагрузке предполагаемую форму импульсов выходного

напряжения для углов отсечки 180, 120, 90 и 60°. Изобразить предполагаемую форму напряжения на коллекторе применительно к резонансной нагрузке для тех же значений углов отсечки коллекторного тока.

По заданному начальному напряжению проходной характеристики транзистора (UН, табл. 19) рассчитать значения напряжения смещения UБ 0, при которых обеспечиваются углы отсечки 180, 120, 90 и 60°, полагая, что к базе усилителя приложено гармоническое напряжение амплитудой 0.4 В. Результаты расчёта занести в таблицу.

Таблица 19

71

Окончание табл. 19

Полагая режим работы усилителя перенапряжённым, нагрузку резистивной и угол отсечки равным 90°, изобразить предполагаемую форму импульсов коллекторного напряжения.

6.4.2.По заданной крутизне S проходной характеристики транзистора, её

начальному напряжению UН и сопротивлению нагрузки усилителя RКЭ = RК (табл. 19) для трёх значений напряжения смещения UБ 0 = 0.4 В, UН и 0.8 В рассчитать колебательные характеристики нелинейного резонансного усилителя,

полагая, что амплитуда входного напряжения UБ изменяется в пределах от 0 до 2 В с шагом 0.1 В. Результаты расчётов привести в таблице и отобразить графически.

Указать амплитуды входного напряжения (UБ КР), при которых возникает критический режим работы нелинейного усилителя, а также соответствующие значения угла отсечки.

6.4.3.Используя результаты предыдущего задания, рассчитать и построить графические зависимости коэффициента усиления нелинейного резонанс-

ного усилителя от амплитуды напряжения на базе K(UБ) = UК/UБ для трёх значений напряжения смещения 0.4 В, UН и 0.8 В.

Амплитуды входного колебания, при которых обеспечиваются наибольшие значения коэффициента усиления, зафиксировать и внести в отчёт. Указать соответствующие им значения коэффициента усиления и угла отсечки тока.

6.4.4.Полагая, что контур нелинейного усилителя настроен на частоту второй а затем и третьей гармоники выходного тока (режим удвоения утроения частоты), рассчитать напряжение смещения, которое при начальном

72

напряжении UН и амплитуде напряжения на базе UБ 0 = 0.4 В, обеспечивает оптимальный по коэффициенту передачи второй а затем и третьей гармоники угол отсечки.

Для недонапряжённого режима работы удвоителя утроителя по заданной крутизне транзистора S и сопротивлению нагрузки RКЭ = RК (табл. 19) рассчитать его максимальный коэффициент передачи.

6.5.Задания и указания к их выполнению

6.5.1.Исследование формы импульсов выходного напряжения нелинейного усилителя при резистивной и резонансной нагрузках

Подготовить установку к исследованиям.

Загрузить схемный файл «Non-linear resonant amplification .ewb». Уяснить назначение подключенных к усилителю приборов и источников сигналов.

Установить заданный тип транзистора (табл. 19), активировав меню «Component Properties» и выбрав нужную модель из библиотеки «nationl2». Установить заданные в табл. 19 напряжение EK источника питания (Еk на рис. 42), величину сопротивления RЭ обратной связи в цепи эмиттера (Rе) и параметры элементов контура: индуктивности (Lk), емкости (Ck), резонансного сопротивления (Rk).

Перевести переключатель, управляемый клавишей «Space» в правое положение, подключив, тем самым, к коллектору транзистора простой колебательный контур.

Установить постоянное напряжение смещения UБ 0 на базе транзистора 1 В (источник Ес на рис. 42). Для установки параметров входного напряжения, вырабатываемого генератором «Functional Generator», активировать режим гармонического сигнала, указать величину его частоты (Frequency) из интервала 100…250 кГц и амплитуды (Amplitude) порядка 10 мВ.

ственную полосу пропускания контура Пf =1/(2πRK CK ) . Результаты расчёта занести в отчёт.

Измерить АЧХ усилителя. Для этого необходимо активировать команду «AC Frequency ...» меню «Analysis», установить в окне команды минимальное и максимальное значения частоты: Start frequency = ( fP – 2 Пf), End frequency = = ( fP + 2 Пf); масштаб по оси частот (Sweep type) — линейный (Linear); Number of point = 5000; масштаб по вертикали (Vertical scale) — линейный; номер точки съёма реакции (Nodes for analysis) — 7. Нажать кнопку «Simulate». Используя визиры, измерить фактическую резонансную частоту усилителя, соответствующую максимуму АЧХ, и полосу пропускания Пf Э резонансного усилителя по

73

уровню 0.707 от максимального значения АЧХ. Занести измеренные значения fP

и Пf Э в отчёт.

Установить частоту входного напряжения (параметр Frequency на панели «Functional Generator»), равной экспериментально измеренной резонансной частоте усилителя.

Увеличить амплитуду входного напряжения (Amplitude) до расчётной величины 400 мВ. Переключателем «Space» подключить резистивную нагрузку.

Определить фактические значения напряжения смещения, обеспечивающие заданные углы отсечки тока.

Изменяя напряжение смещения на базе транзистора, установить последовательно углы отсечки выходного тока 180, 120, 90 и 60°. Использовать при этом осциллограмму выходного напряжения, совпадающего по форме с импульсами коллекторного тока. Зарисовать импульсы напряжения для каждого угла отсечки, внести в таблицу значения напряжения смещения, соответствующие этим углам отсечки, сравнить их с расчётными.

Примечание: Пусть осциллограмма выходного напряжения выглядит так, как показано на рис. 43; тогда, установленное значение угла отсечки тока определяется как 180° τ / T, где τ — длительность импульса с отсечкой, T — период колебаний; измерение длительности импульсов τ удобно производить посредством визиров; период T достаточно однократно измерить или рассчитать.

τ

Т

Рис. 43

Для ускорения измерений по данному пункту исследований можно задействовать команду «Parameter Sweep ...» меню «Analysis». В окне команды следует задать: системный идентификатор источника смещения (Component) – V1; название изменяемого параметра (Parameter) – Voltage; диапазон изменения напряжения смещения (Start value, End value) – от 0.4 до 1.2 В (возможны другие значения); способ изменения (Sweep type) – Linear; шаг изменения напряжения смещения (Increment step size) – 0.05 В (или меньше); номер выходной контрольной ноды (Output node) – 4. Активировать режим «Transient Analysis», нажать кнопку «Set transient options»", в новом окне активировать «Calculate DC operating point», указать момент начала (Start time) и окончания анализа (End time), количество отображаемых точек за интервал наблюдения (Minimum number of time point). Нажать кнопки «Accept» и «Simulate». Возможный результат выполнения команды показан на рис. 44 в виде семейства осциллограмм

74