Лабораторная работа №3 Исследование нелинейного резонансного усилителя и умножителя частоты

3.1. Исследование работы усилителя в режиме с отсечкой тока.

Соберите схему модели резонансного усилителя с отсечкой тока (рис.3.1). В качестве L1 и C1 возьмите произвольные значения в интервалах 1…3 мкГн и 1…3 нФ. Параметры источника сигнала пока возьмите по умолчанию. Напряжения источников V1 (напряжение смещения цепи базы) и V3 (напряжение питания цепи коллектора) должны быть равны указанным на схеме. При установке на схему транзистора введите имя какой-либо несуществующей модели (произвольное), при этом получится «идеальный» безынерционный транзистор.

Рис.3.1 Рис.3.2

Снимите АЧХ каскада в режиме АС анализа с целью точного измерения резонансной частоты. Установите частоту источника сигнала равной резонансной частоте, а амплитуду 250…300 мВ. В режиме Transient Analysis постройте графики выходного напряжения усилителя v(out), тока коллектора ic(Q1) и тока базы ib(Q1). Время анализа – 10…20 мкс. По графикам тока коллектора найдите угол отсечки этого тока по формуле

 = (360 * t1) / (2*t0),

где t1 – длительность импульса тока, t0 – период колебания (как их измерить, показано на рис. 3.2).

Напоминаем, что углу отсечки 180 (т.е. отсутствию отсечки тока) соответствует класс работы А, углам отсечки  = 90…180 – класс работы АВ, углу отсечки  = 90 – класс работы В, углам отсечки меньше 90 – класс работы С.

Определите, к какому классу работы относится установившийся в вашем усилителе режим. Установите напряжение смещения V1 цепи базы так, чтобы получить классы работы А, затем АВ, В, С (Установление каждого класса работы контролируется преподавателем.)

П остройте спектр тока коллектора (одного периода!) для угла отсечки 90. Для этого в задании на моделирование запишите mag(harm(ic(Q1))) по оси Y и F по оси Х. Выделите для анализа спектра один период колебания тока коллектора. Для этого в режиме Transient Analysis в меню Transient откройте окошко DSP Parameters (рис.3.3) и укажите в нем Upper Time Limit равный tmax, а Lower Time Limit равный tmax минус период колебания (период колебания рассчитайте по возможности точнее). Важно, чтобы разность Upper Time Limit и Lower Time Limit получилась равной именно одному периоду частоты входного сигнала.

Запустите моделирование и проконтролируйте полученный спектр. Если он получился правильно (оцениваете совместно с преподавателем), то числа, записанные в окошке DSP Parameters, не изменяйте – они пригодятся при выполнении последних пунктов работы.

3.2. Исследование напряженности режима работы резонансного усилителя.

Существуют недонапряженный, критический и перенапряженный режимы работы активного элемента (транзистора, лампы) в резонансном усилительном каскаде. Перенапряженным называется режим, при котором в течение части периода колебания происходит перераспределение токов выходного и входного электродов активного элемента (например, коллектора и базы биполярного транзистора). При этом в течение части периода биполярный транзистор находится в режиме насыщения, за счет которого в импульсе тока коллектора наблюдается провал, а в импульсе тока базы – всплеск (рис.3.4).

Рис.3.4

Установите амплитуду сигнала 450…500 мВ, а напряжение смещения 0,5 В. Снижая напряжение питания коллектора, добейтесь слегка перенапряженного режима работы каскада.

Увеличьте частоту сигнала на 0,5%. Слегка повышая (при необходимости) амплитуду входного сигнала, добейтесь перенапряженного режима и убедитесь, что провал в импульсе переместился. То же самое повторите для пониженной на 0,5% частоты.

Верните источнику сигнала частоту, равную резонансной частоте каскада. Замените несуществующий «идеальный» транзистор на реальный, например, ВС547 или другой высокочастотный. Добейтесь работы каскада в классе В или С в слегка перенапряженном режиме. Пронаблюдайте получившуюся форму провалов в токе коллектора и всплесков в токе базы.

3.3. Исследование резонансного умножения частоты.

Увеличьте напряжение питания коллекторной цепи до 50 В, чтобы получить заведомо недонапряженный режим. Установите угол отсечки 90. Запишите или запомните амплитуду напряжения на нагрузке.

Перестройте контур на вторую гармонику частоты входного сигнала (проконтролируйте правильность настройки в АС анализе). Измерьте амплитуду полученного на нагрузке колебания с удвоенной частотой. Сравните ее с амплитудой в режиме усиления сигнала без умножения частоты.

Перестройте контур на третью гармонику частоты входного сигнала (проконтролируйте правильность настройки в АС анализе). Измерьте амплитуду полученного на нагрузке колебания с утроенной частотой. Сравните ее с амплитудой в режиме усиления сигнала без умножения частоты и с удвоением частоты. Установите угол отсечки 60 и повторите моделирование работы утроителя частоты.

Проконтролируйте спектр выходного напряжения утроителя частоты на резонансном контуре (в точке out по рис.3.1). Для этого в задании на моделирование запишите mag(harm(v(out))) по оси Y и F по оси Х. Выделите для анализа спектра один период колебания выходного напряжения так же, как делали в п.3.1 для тока коллектора.

Обратите внимание, что одиночный колебательный контур плохо справляется с задачей фильтрации ненужных спектральных составляющих. Запишите относительные значения амплитуд первой, второй и четвертой гармоник (нормированные к амплитуде третьей гармоники).

Соберите схему утроителя частоты с двухконтурным полосовым фильтром (рис.3.5); получите эпюры напряжений и их спектры (пример – на рис.3.6) на первом и втором контурах фильтра (точки out, out2 на рис.3.5). Запишите относительные значения первых четырех гармоник. Сделайте сравнение с одноконтурной схемой утроителя.

Рис.3.5.

Рис.3.6.