4 Содержание отчета

Отчет о работе составляется индивидуально, в соответствии с тре­бованиями кафедры и содержит: схему исследуемого усилителя с задан­ными параметрами; расчетные параметры усилителя и расчетные характеристики усилителя без и с коррекцией.

По результатам опытов необходимо привести в отчете:

1. ЧХ усилителя без коррекции с активной ООС по току и без активной ООС по току.

2. ЧХ усилителя с простой индуктивной коррекцией.

3. ЧХ усилителя с коррекцией комплексной ООС по току

4. ЧХ усилителя с коррекцией R_ФС_Ф фильтром в цепи коллектора

5. ПХ усилителя без коррекции с активной ООС по току и без акти­вной ООС по току

6. ПХ усилителя с простои индуктивной коррекцией

7. ПХ усилителя с коррекцией комплексной ООС по току

8. ПХ усилителя с коррекцией R_ФС_Ф фильтром в цепи коллектора

5 Контрольные вопросы

1. Приведите эквивалентную схему УК с активной ООС по току в области СЧ.

2. Приведите эквивалентную схему УК с простой индуктивной коррекцией в области ВЧ.

3. Поясните влияние коэффициента коррекции в УК с индуктивной коррекцией на ЧХ в области ВЧ.

4. Поясните влияние коэффициента коррекции в УК с индуктивной коррекцией на ПХ в области малых времен,

5. Приведите эквивалентную схему УК с коррекцией R_ФС_Ф фильтром в области НЧ.

6. Поясните влияние коэффициента коррекции в УК с коррекцией R_ФС_Ф фильтром на ЧХ в области НЧ.

7. Поясните влияние коэффициента коррекции в УК с коррекцией R_ФС_Ф фильтром на ПХ в области больших времен

8. Приведите эквивалентную схему УК с коррекцией комплексной ООС по току.

9. Поясните влияние коэффициента коррекции в УК с коррекцией комплексной ООС на ЧХ в области ВЧ.

10. Поясните влияние коэффициента коррекции в УК с коррекцией комплексной ООС на ПХ в области малых времен.

6. Рекомендуемая литература

1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник Изд. 2-е, перераб, и доп. М.: Радио и связь, 1983 .

2. Проектирование усилительных устройств: Учебное пособие Под ред. Н.В.Терпугова М.: Высшая школа, 1982.

3. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства М.: Связь, 1977,

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

Исследование повторителей напряжения (2 часа)

1 Цель работы

Целью данной работы является:

- исследование усилительных свойств, частотных (ЧХ), фазовых (ФХ) и переходных (ПХ) характеристик, а также входных (R_вх) и выходных (R_вых) сопротивлений различных схем повторителей напряжения (ПН) на транзисторах.

- экспериментальное исследова­ние различных схем ПН и в сравнении результатов опытов с тео­ретическими расчетами.

2 Краткая теоретическая справка

Повторитель напряжения представляет собой усилитель со 100 %-ной последовательной отрицательной обратной связью (00С) по напряжению.

Различают потоковый повторитель (каскад с общим стоком) и эмиттерный повторитель (каскад с общим коллектором). На рис.1 приведена базовая схема эмиттерного повторителя (ЭП) при комп­лексной внешней нагрузке.

Рис 1. Схема эмиттерного повторителя.

R₁, R₂ - сопротивления делителя смещения;

- сопротивление делителя по переменному току;

R_э - сопротивление нагрузки каскада по постоянному току в цепи эмиттера;

- сопротивление внешней нагрузки;

- эквивалентное сопротивление нагруз­ки каскада по переменному току.

При , , где

С₁, С₂ - конденсаторы связи, их сопротивлением в широком диапазоне частот можно пренебречь.

Для эмиттерного повторителя справедливо равенство:

(1)

Из (1) видно, что выходное напряжение совпадет по фазе с вход­ным напряжением и меньше его по величине, т.е. коэффициент усиления каскада по напряжению , а коэффициент усиления по току . Кроме того, согласно общим свойствам ООС типа - Н, повторитель имеет высокое вход­ное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Подводя итог изложенному, можно охарактеризовать повторитель как неко­торый понижающий трансформатор сопротивлений, позволяющий согласовать высокоомный источник сигнала с низкоомной нагрузкой (например, коаксиальный кабель, динамический громкоговоритель, электромагнитные устройства). Эквивалентная схема ЭП приведе­на на рис.2.

Рис.2. Полная эквивалентная схема ЭП

- крутизна коллекторного тока транзистора;

и - входная и выходная проводимость транзистора каскада при включении с OK;

- проводимость в цепи эмиттера;

- коэффициент передачи по току внутренней 00С транзистора.

Обычно в очень широком диапазоне частот что позволяет пренебречь и по сравнению с . С учетом сказанного, упрощенная (без учета ) эквивалент­ная схема ЭП принимает вид (рис.3).

Рис.3. Упрощенная эквивалентная схема ЭП

Здесь и далее справедливо , так как , и крутизну эмиттерного тока транзистора можно представить .

В области нижних и средних частот Y - параметры транзистора не зависят от частоты; , .

Коэффициент усиления ЭП по напряжению

(2)

где коэффициент усиления каскада без 00С;

- глубина ООС;

- сопротивление нагрузки по переменному току.

Входное сопротивление ЭП с учетом действия ООС Н-типа и без учета :

(3)

- входное сопротивление транзистора без ООС;

- коэффициент усиления тока транзистора в схеме с ОК.

Из выражения (3) видно, что с увеличением нагрузки входное сопротивление растет. Величина - сопротивление базы в Т-образной физической схеме замещения транзистора. Входное сопротивление ЭП с учетом

(4)

Коэффициент усиления ЭП по току

(5)

т.е. он имеет практически то же значение, что и в схеме с ОЭ, так как и .

Выходное сопротивление ЭП

(6)

где

(7)

R_U - внутреннее сопротивление источника сигнала.

Из выражении (6), (7) видно, что выходное сопротивление ЭП зависит от внутреннего сопротивления R_U источника сигна­ла. При , выходное сопротивление ЭП стремится к минимуму , где - сопротивление эмиттера в Т-образной физической схеме замещения, где , мВ - температурный потенциал. С увеличением R_U выходное сопротивление ЭП растёт.

В области верхних частот ВЧ изменяются как коэффициент передачи ЭП, так и его входное и выходное сопротивления. Как видно из (3), при емкостной нагрузке может иметь отрицательную составляющую, что обычно приводит к его самовозбуждению. Избавиться от этого нежелательного явления можно путем увеличения R_g и r_б. Выходное сопротивление ЭП на ВЧ увеличивается в связи с уменьшением . Коэффициент передачи ЭП на ВЧ уменьшается из-за шунтирующего влияния С_н и уменьшения на ВЧ. Известно, что зависимость крутизны от частоты имеет вид

(8)

где S₀ - крутизна коллекторного тока на НЧ и ВЧ;

постоянная времени крутизны транзистора;

f_S - граничная частота транзистора по крутизне,

При выборе транзистора с , где f_В - верхняя частота спектра усиливаемого сигнала, снижение крутизны тран­зистора можно не учитывать, что существенно упрощает анализ и синтез схемы.

Коэффициент передачи ЭП на ВЧ

(9)

где - постоянная времени каскада на ВЧ; - постоянная времени нагрузки на ВЧ.

Уравнение нормированной ЧХ повторителя на ВЧ при работе на малую емкость

(10)

где нормированная частота ЭП и , .

Граничная частота ЭП , где .

Уравнение нормированной переходной характеристики ЭП в области малых времен при работе на малую емкость

(11)

где - нормированное время.

Время установления фронта импульса

, где , .

Уравнения ЧХ и ПХ в области больших времен аналогичны таковым для каскада с ОЭ.

С целью повышения входного сопротивления ЭП на практике применяют схему со следящей обратной связью (рис.4).

Рис.4. ЭП с компенсационной обратной связью

Увеличение входного сопротивления в схеме (рис.4) дости­гается благодаря наличию положительной обратной связи (ПОС) между точками В и А. ПОС от эмиттера обеспечивает условие ста­бильности, поскольку коэффициент усиления ЭП всегда меньше 1. На каждом конце резистора ( ) сигналы синфазны, что создает эффект увеличения сопротивления R₃ до величины

(12)

Входной импеданс схемы (рис.4) определяется в виде

(13)

где

- коэффициент усиления тока базы в схеме с ОК. Емкость С₃ определяется из условия допустимых искаже­ний на НЧ.

Другим схемным способом повышения входного сопротивления ЭП является схема на составном транзисторе (рис.5).

Рис.5. Схема повторителя напряжения на составном транзисторе

Схема ЭП на рис.5 эквивалентна схеме замещениями на n-р-n транзисторе со следующими параметрами:

усиление по току

(14)

входное сопротивление

(15)

выходное сопротивление

(16)

крутизна составного транзистора

(17)

Включение на входе схемы рис.5 полевого транзистора позволяет получить входное сопротивление десятки МОм.

Описание лабораторного стенда

Конструктивно стенд выполнен в виде коробчатого блока с автономным питанием от сети ~220 В, 50 Гц.

На лицевой панели установлен выключатель SА напряжения Е_к=+12 В коллекторного питания и индикатор HL световой сигнализации. Лабораторный макет исследуемых схем ЭП (рис.6а, б, в) собран на печатной плате с гнездами xS для коммутации с помощью перемычек, радиоэлементов электрической схемы (рис.6). Ключ S3 в схеме рис.6в служит для подключения регистрирующего прибора x8 к входу исследуемого ЭП поз. S3-1 и к выходу ЭП поз. S3-2.

На печатной плате собраны три схемы ЭП: первая схема базовая на n-р-n транзисторе; вторая схема на составном n-р-n транзисторе; третья схема - потоковый повторитель на полевом транзисторе с р-n переходом и каналом n-типа. Параметры транзисторов приведены в табл.1.

Таблица 1

Транзистор	S, мА/В	R11, Ом		rэ, Ом	rk0н, Ом
2T312В	70	103	120	15	-
КТ203Б	72	750	120	12	-
КП302ВМ	5	20*106	-	-	100

Ключ S1 и резистор R1 в схемах служат для экспериментального определения входного сопротивления ЭП по выраже­нию

где U_вых1 - выходное напряжение на нагрузке при замкнутом ключе S1;

U_вых2 - выходное напряжение на нагрузке при разомкнутом ключе S1.

Выходное напряжение определяется при включенной нагрузке (ключ S₂ замкнут), и оно должно быть не более U_выхдоп.

Выходное сопротивление схем экспериментально определяет­ся по выражению

(18)

где U_вых2 - выходное напряжение при разомкнутом ключе S₂;

U_вых1 - выходное напряжение при замкнутом ключе S₂.

При определении R_вх и R_вых напряжение U_вх на входе ЭП должно быть постоянным, а напряжение на выходе U_вых не должно превышать допустимого с точки зрения нелинейных искаже­ний. Максимальное амплитудное значение входного напряжения для всех схем В. Резистор R= 56 Ом на входе схем ЭП служит для согласования с выходом генератора испытательных си­гналов.

К гнезду Х6 (рис.6,в) с помощью перемычки подключается вход исследуемого ЭП, к гнезду Х7 - выход исследуемого каскада, к гнезду X8 - регистрирующий прибор.