Методички к лабам / Методичка 3 / лабораторная работа № 3

Московский технический университет связи и информатики.

Лабораторная работа № 3

Высокочастотная коррекция в транзисторных усилителях

по курсу

усилительные устройства.

Москва 2012

1. Цель работы.

Изучение физических принципов действия основных схем высокочастотной (ВЧ) коррекции, особенностей работы транзисторных широкополосных каскадов с ВЧ коррекцией амплитудно-частотной характеристики (АЧХ); ознакомление с основами расчёта и методикой снятия АЧХ исследуемого усилителя.

2. Задание для расчётной части.

1. Для эквивалентной схемы выходной цепи исследуемого каскада без коллекторной ВЧ коррекции рассчитать верхнюю частоту f_{вч гр} на уровне M = 3 дБ и параметров схемы, изображенных на рис.1

2. Для эквивалентной схемы выходной цепи исследуемого каскада с коллекторной ВЧ коррекцией рассчитать верхнюю частоту f_{вч гр} на уровне M = 3 дБ и параметров схемы, изображенных на рис.1

3. Для схемы входной цепи исследуемого каскада без эмиттерной ВЧ коррекции рассчитать верхнюю частоту f_{вч гр} на уровне M = 3 дБ и параметров схемы, изображенных на рис.2

4. Для схемы входной цепи исследуемого каскада с эмиттерной ВЧ коррекцией рассчитать верхнюю частоту f_{вч гр} на уровне M = 3 дБ и параметров схемы, изображенных на рис.2

Параметры транзистора KT316A описаны ниже.

Рис. 1 Коллекторная ВЧ коррекция.

Рис. 2 Эмиттерная ВЧ коррекция.

Краткие указания к расчёту усилителя с ВЧ коррекцией.

Для эмиттерной ВЧ коррекции.

П олная эквивалентная схема входной цепи исследуемого каскада с эмиттерной ВЧ коррекцией приведена на рис.3. при анализе схемы ЭДС источника сигнала пересчитывают в тачках Б’- Д. При этом имеют место следующие соотношения:

Рис.3. Полная эквивалентная схема входной цепи исследуемого каскада с эмиттерной ВЧ коррекцией

; ; .

Значение верхней частоты f_{вч гр} находится на уровне 0,707 (аналогично в Л.Р. № 1). Выражение для нормированной АЧХ входной цепи резисторного усилителя с эмиттерной ВЧ коррекцией имеет вид:

где нормированная частота:

При Y_В=0,707, (Y_В)²=0,5, чтобы найти ω_{в гр} необходимо x выразить из формулы (1) и подставить в формулу:

Эквивалентное сопротивление источника сигнала для усилителя без коррекции в области ВЧ:

; (2)

Динамическая ёмкость входной цепи без коррекции:

В формуле (1) коэффициенты ВЧ коррекции (см. (2) и (3)) равны:

где

В данных формулах:

- постоянная времени входной цепи усилителя с эмиттерной ВЧ коррекцией.

- постоянная времени входной цепи усилителя без ВЧ коррекции.

- сквозная глубина ОС.

Для коллекторной параллельной ВЧ коррекции.

Эквивалентная схема выходной цепи усилительного каскада с учетом влияния входной цепи следующего каскада имеет вид ( рис.4а ):

Рис.4 Эквивалентная схема выходной цепи усилительного каскада.

Индуктивность L₁, включенная последовательно с R, вместе с конденсатором C₀ образуют параллельный колебательный контур, шунтированный резистором R_н , на резонансной частоте контур является активным сопротивлением , где – характеристическое сопротивление, а , и r отражает «потери» в контуре, обусловленные R и R_н.

При условии R_н>>R, r_кэ>>R можно пренебречь влиянием R_г и r_кэ и эквивалентная схема рис. 4а примет вид рис. 4б.

Выходное напряжение:

, где - полное сопротивление контура.

На средних частотах пренебрегаем влиянием всех реактивностей в усилительном каскаде.

Нормированный коэффициент усиления к усилению на средней частоте:

Подставляя значения, получаем

Введя нормированную частоту

(4)

где – постоянная времени нагрузки.

С учётом (4) и параметров коррекции где R – сопротивление потерь в контуре, выводим модуль нормированного коэффициента передачи:

Который показывает, что при L=0 (a=0) АЧХ усилителя соответствует обычному резисторному каскаду без коррекции, при a=a_кр=0,414 получаем наилучшую АЧХ без подъема; a> a_кр – АЧХ имеет подъем в области верхних частот, как показано на рис. 5

Рис.5

Задание для выполнения работы.

Анализ свойств усилителей с ВЧ коррекцией.

В схемах используем транзисторы типа КТ316А.

Напряжение источника питания устанавливаем равным 12 В.

После установления одинаковых режимов работы транзисторов Q1 и Q2 входим в режим анализа свойств усилителей в частотной области. Для этого в меню главного анализа частотных свойств выбираем команду Analysis и в подменю – программу анализа частотных свойств AC.

В соответствии с рис. 6 выводятся частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению (YExpression) в узлах 8 и 15. Область частот (XExpression), в которой проводится анализ, определяется форматом: макс. Значение выводимой переменной, ее мин.значение и шаг сетки значений. Аналогично задаются условия при выводе на экран монитора значений коэффициента усиления. Характер изменения по оси x – логарифмический, по оси Y – линейный. Расчет АЧХ усилителя производится нажатием кнопки Run.

Рис. 6.

Для нахождения верхней граничной частоты по уровню 3 дБ для схемы коллекторной ВЧ коррекции найдем значение коэффициента усиления на рабочей частоте (1кГц), используя пиктограмму PEAK. Затем сдвинув маркер на частоту 1 кГц определим точное значение коэффициента усиления на этой частоте – К_ср. Активизировав курсором пиктограмму GO TO Y, вычисляем коэффициент усиления на границе полосы пропускания 0,707К_ср. Аналогично, определите значение граничной частоты для схемы эмиттерной ВЧ коррекции. Результаты занести в табл.1.

Для достижения максимально плоской АЧХ усилителя ВЧ коррекции необходимо варьировать параметры колебательного контура: коллекторная ВЧ коррекция – L1, эмиттерная ВЧ коррекция – C_э. Увеличение индуктивности L1 уменьшает значение частоты резонанса.

Войдем в подменю AC analysis Limits, нажав кнопку Stepping, в режиме вариации параметров. Нажав на кнопку раскрытия окна в строке Step What, активизируем строку L1, и затем вводим From – значение, являющееся минимальным, с которого начинается изменение L1, Tо – верхняя граница изменения величин L1, с шагом – Step Value. Установка точки Yes в рамке Step It подтверждает режим варьирования параметров. В рамке Method отмечаем кнопкой закон изменения компонента Linear (Linear – линейный, Log – логарифмический или List – в соответствии со списком). В рамке Parameter Type кнопкой помечаем вид варьируемого элемента: Component – компонент (Model – модель, например, источника сигнала). В рамке Change (изменение) выбирается способ изменения шага при вариации параметра элементов: только во вложенных циклах программы (Step variables in nested loops) или всех подлежащих изменению параметров одновременно (Step all variables simultaneously). В первом случае существует возможность независимого выбора шага для каждого параметра. Во втором – необходимо изменять варьируемые параметры с одинаковым шагом, что ограничивает анализ всего одним возможным вариантом. Кнопки в нижнем ряду All On, All Off включают режим варьирования (Step It), перечисленных на всех закладках в режиме Stepping параметров. Кнопка Default по умолчанию задает изменение варьируемого параметра от половинного до двойного значения от его номинальной величины.

Полученное семейство кривых позволяет выбрать кривую, обладающую наибольшей граничной частотой, при минимальных искажениях АЧХ. Оцените новое значение f_{вч гр}, сравните с расчетным.

Проведите аналогичное моделирование для схемы рис. 2, проведя варьирование емкости C9, результаты занести в таблицу 1.

Индуктивность следует варьировать от 0 до 140u с шагом 70u. Для емкости в рамке Method выбираем пункт List, далее через запятую указываем значения: 0, 6n, 12n, 500u, чтобы показать характеристики с обратной связью, без и с коррекцией. На полученных характеристиках указать значение f_гр и сравнить друг с другом. Результаты сравнений написать в выводах.

Таблица 1.

Тип коррекции	Параметры АЧХ	Параметры корректирующих цепей	Fвч гр, Гц	Время уст. tуст, c	fгр, Гц
Коллекторная коррекция	Рассчетн. Исходн.вар. Макс.плоск.	L1= L1= L1=
Эмиттерная коррекция	Исходн.вар. Макс.плоск.	С9= С9=

Переходные характеристики исследуемых каскадов получают при подключении на вход источников импульсного сигнала. Для этого в схемах усилителей (рис.2, рис.3) удаляют источники гармонического входного сигнала (аналогично любому удалению компонента схемы) и вводят источники импульсного сигнала. Выполнив команду Component в окне схем, на выпадающем меню активизируем строку Pulse Source.

Рис. 7

Нажатием кнопки New источнику сигнала присваивают имя (или подтверждают название, предложенное ЭВМ): в рамке слева (Name) поочередно предлагаются атрибуты источника (объект, компонент - Part) и предложение присвоить (или выбрать из предлагаемого в правой колонке перечня) ему (Value – рамка справа) имя V10 с возможностью отображать его в окне схем (помечается галочкой Show рядом с названием). Атрибуты источника сигнала (в рамке Name) Model, при активизации этой строки в колонке слева, задаются выбором стандартного источника из предлагаемого перечня в колонке справа. Выбираем источник SP (если вводился ранее), параметры которого высвечиваются под кнопками OK, Cancel и др. Если параметры источника вводятся впервые, то нажатием кнопки New активизируют окна параметров источника сигналов. Одновременно в строке Value появляется подсвеченная надпись New Model, вместо которой необходимо ввести название источника сигналов (например, SP) и затем ввести в текстовом файле Source:Local text area of C:\MC8DEMO\DATA\Vrescor.CIR параметры источника сигналов:

VZERO – начальное значение, В;

VONE – максимальное значение, В;

P1 – начало переднего фронта, сек;

P2 – начало плоской вершины импульса, с;

P3 – конец плоской вершины импульса, с

P4 – момент достижения уровня VZERO, с;

P5 – период повторения импульса, с.

Параметры источника импульсного сигнала представлены на рис. 8.

Рис. 8.

Для входа в режим анализа переходных характеристик в режиме главного окна выбираем команду Analisys и на выпадающем подменю строку Transient. Данные для построения записываем в соответствии с рис. 9. Фаза в обоих случаях должна измениться на 180 градусов. Выброс на переходной характеристике можно оценить, определив значение напряжения в точке минимума и момент окончания входного импульса. Аналогично сделайте оценку выброса на выходе усилителя с эмиттерной ВЧ коррекцией. Для обоих случаев проведите Stepping и определите время установления импульса. Результаты занесите в табл. 1.

Рис. 9.

После завершения работы необходимо записать выводы по всем выполненным пунктам.