Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Frisk_1_tom

.pdf
Скачиваний:
146
Добавлен:
27.05.2023
Размер:
11.84 Mб
Скачать

330 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ðèñ. 7.21

Протекание переменной составляющей входных и выходных токов в резисторном каскаде соответствуют рис. 1.20 и рис. 1.21 раздела 7 лабораторной работы ¹ 1. В отличие от рис. 1.21 коллекторный ток транзистора VT1 не протекает через элементы входной цепи второго каскада, определяющие режим работы транзистора VT2 и сам транзистор VT2. Свойства второго каскада моделируют в этой лабораторной работе резистор R6 и конденсатор С5.

В эмитттерном повторителе переменная составляющая от источника сигнала, для указанной в некоторый момент времени полярности (рис. 2.71á), протекает по параллельному соединению R2 è R3 и некоторому эквивалентному сопротивлению, состоящему из сопротивления открытого БЭ перехода вместе с последовательно включенным эквивалентным сопротивлением нагрузки по переменному току R = R5R6/(R5 + R6). Сопротивление запертого коллекторно-базового (КБ) перехода значительно больше сопротивления открытого БЭ перехода вместе с R и ток источника сигнала практически не протекает в коллекторной цепи.

Эквивалентная схема эмиттерного повторителя (транзистор включен по схеме с ОК и замещен П — образной физической моделью Джиаколетто) имеет вид, рис. 7.22.

Ðèñ. 7.22

Элементы эквивалентной схемы БТ отражают физические процессы, протекающие в его структуре, и особенности технологии при его производстве.

rá— объемное (распределенное) сопротивление базы; ráý — сопротивление между базой и эмиттером;

Ñáý — емкость между базой и эмиттером, равная примерно зарядной емкости эмиттерного перехода;

Ñê = Ñáê — емкость между базой и коллектором, определяемая в основном барьерной емкостью коллекторного перехода (Сê << Ñáý);

Лабораторная работа ¹ 7

331

 

 

ráê — сопротивление между коллектором и базой, равное в основном дифференциальному сопротивлению коллекторного перехода (ráê >> ráý);

UïSï — генератор тока, управляемый напряжением на базо-эмиттерном переходе, отражающий усилительные свойства транзистора;

Uï — напряжение на базо-эмиттерном переходе;

Sï — крутизна характеристики выходного тока транзистора как функция напряжения на переходе.

Эквивалентная схема каскада показывает, что управляемый входным сигналом источник (SïUï) создает ток коллектора во внешней цепи значительно превышающий ток источника (iê = h21ýiá), что отражает усилительные свойства транзистора.

Емкости базо-эмиттерного БЭ и коллекторно-базового КБ переходов в эквивалентной схеме транзистора указывают на частотную зависимость выходных параметров БТ. Частота, íа которой значение коэффициента усиле-

íèÿ ïî òîêó h21ý уменьшается в 2 раз (на 3 дБ) от значения h21ý0 на низкой частоте, называется граничной частотой по коэффициенту передачи транзи-

стора по току fh21ý. Частота, на которой усилительные свойства по току транзистора исчезают (h21ý = 1), называется граничной частотой транзистора fò.

Источник управляемого тока SïUï создает протекание переменной составляющей тока во внешней цепи, подключенной к коллекторному выводу транзистора. Пути протекания токов во внешних цепях, для указанной полярности источника тока, приведены на рис. 7.23.

Считая сопротивление конденсатора С1 на рабочей частоте близкой к нулю (величина емкости реально включаемого конденсатора достаточно велика) и параллельное включение R2 è R3 вместе с сопротивлением источника входного сигнала R1 заменить на Rã, принципиальную схему эмиттерного повторителя (ЭП) можно упростить (рис. 7.24).

Напряжение между БЭ Uáý, определяется разностью напряжений между базой и землей (Uáç), создаваемое генератором Еã (полярность источника сигнала указана для некоторого момента времени)и напряжением на R (на нагрузке — Uâûõ). Запирающее напряжение для этого типа проводимости транзистора приводит к уменьшению тока базы, а значит и тока коллектора и эмиттера, т. е. к возрастанию напряжения на эмиттере и падению напряжения на нагрузке R . Отсюда видно, что изменения напряжения на базе транзистора и на эмиттере совпадают, т. е. эмиттерный повторитель фазу входного сигнала не изменяет (не инвертирует). При постоянстве амплитуды напряжения

Ðèñ. 7.23

Ðèñ. 7.24

332

Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

источника сигнала (идеального генератора) Еã это приводит к увеличению на-

пряжения Uáý, следовательно транзистор закроется слабее, т. е. существует

противодействие входному изменению — обратная связь отрицательная. Так

как напряжение обратной связи (ОС) равно входному, то это 100 % ОС.

 

Способ ввода ОС определяется методом холостого хода (ХХ) и короткого

замыкания (КЗ) источника сигнала. Так как при обрыве цепи генератора об-

 

 

ратная связь исчезает, то значит она последова-

 

 

тельная по входу (при КЗ источника — ОС со-

 

 

храняется). При КЗ сопротивления нагрузки

 

 

(R = 0) ОС исчезает, при бесконечно большом

 

 

(R → ∞

) сохраняется, то это означает, что ОС

 

 

параллельная по выходу — по напряжению. Та-

 

 

ким образом, ЭП обладает 100 % отрицатель-

 

 

ной ОС последовательной по напряжению. По-

 

 

следовательная по входу отрицательная ОС уве-

 

Ðèñ. 7.25

личивает входное сопротивление, так как оно

 

 

определяется суммарным сопротивлением уси-

лителя без ОС и цепи ОС. Эквивалентная схема входной цепи эмиттерного

повторителя с учетом отрицательной ОС имеет вид (рис. 7.25). Входное со-

противление определяется на рабочей частоте с учетом того, что

 

r

áê

>> ã , а также, что R

 

<< r

êý

è R

ã

<< r

áê

 

 

 

á ý

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

âõ

 

U

+

 

U rá ý

 

+ UR

~

 

 

 

 

 

 

 

 

Râõ îê =

 

=

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I âõ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I âõ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

I árá+ I á rý (1 + h21ý ) + IR ~ (1 + h21ý )

= rá+ (rý

 

+ R ~ )(1 + h21ý ).

(7.1)

 

 

 

 

 

I á

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда следует, что входное сопротивление эмиттерного повторителя больше входного сопротивления схемы с общим эмиттером в R h21ý ðàç.

Входное сопротивление каскада при f 0 сравнительно велико, оно существенно больше чем у каскада с ОЭ, если только R не слишком мало.

Коэффициент усиления по напряжению на средней частоте эмиттерного повторителя

Êîê

=

U âûõ

=

U í

=

 

U í U áý

=

 

Ê

,

(7.2)

 

U áý + U í

 

+ U í U áý

 

+ Ê

 

 

U âõ

1

1

 

 

что совпадает с коэффициентом усиления усилителя, охваченного 100 % ОС (β = 1)

Êîê

=

 

h21ý R ~

 

 

=

h

21ý R ~

=

 

R âõ îý (1 + h21ý R ~ R âõ îý

 

R âõ îý

+ h21ý R ~

 

 

 

 

 

 

 

=

 

h

21ý R ~

=

 

 

h21ý R ~

 

,

(7.3)

rá+ rý (1

+ h21ý )h21ý R ~

rá + h21ý (rý + R ~ )

 

 

 

 

ãäå Râõ îý = rá+ rý(1 + h21ý).

Лабораторная работа ¹ 7

333

 

 

Соответственно сквозной коэффициент усиления эмиттерного повторите-

ля на средней частоте

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ê*îê

=

U âûõ

=

 

 

K * îý

 

=

 

h21ý R ~

(R ~ + rá

+ ráý)

,

 

(7.4)

 

 

 

 

 

 

+ K *

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E ã

 

1

îý

1 + h21ý R ~ (R ~ + rá + ráý)

 

ãäå Ê*

= h

21ý

R

/(R

 

+ r

á

+ r ) — сквозной коэффициент усиления каскада с

îý

 

 

 

 

 

 

 

á ý

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОЭ на средней частоте.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выходное сопротивление каскада с ОК, определенное при условии Åã = 0,

Râûõ =

U áý

+ R ãI á

 

=

I á (U áý

I á

+ R ã )

=

h21ý + R ã

 

=

R ã

+ rá + ráý

.

(7.5)

 

I ý

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I á (1 + I ê

 

I á )

1 + h21ý

1

+ Sï rá ý

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выходное сопротивление каскада с ОК сравнительно мало, но растет с увеличением Rã. Это объясняется тем, что выходное сопротивление, измеренное между эмиттером и коллектором близко ко входному сопротивлению кас-

када с ОБ, особенно при Rã << h11ý.

Параллельная по выходу отрицательная ОС снижает выходное сопротивление, так как результирующее выходное сопротивление будет меньше меньшего из них. Уменьшение Rã приводит к большему влиянию отрицательной ОС на свойства усилителя, как и изменение сопротивления нагрузки R . Вместе с тем, ОС можно сказать отсутствует при Rã → ∞ , когда выходное сопротивление каскада оказывается значительным, как и при R 0, когда входное сопротивление оказывается примерно равным входному сопротивлению каскада с ОЭ (h11ý).

7.2 Частотные свойства эмиттерного повторителя

Частотные свойства каскада исследуются с использованием эквивалентной схемы каскада с ОК (рис. 7.22) и учетом невзаимных свойств транзистора.

7.2.1Свойства входной цепи

Âобласти верхних частот эквивалентная схема входной цепи может быть

представлена рис. 7.26à, ãäå Rä параллельное соединение резисторов R2 è R3. Эквивалентная емкость С0 определяется реактивным элементами эквива-

лентной схемы транзистора (в основном емкостью запертого КБ перехода). Используя теорему об эквивалентном генераторе можно перейти к эквива-

Ðèñ. 7.26

334 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

лентной схеме более удобной для анализа (рис. 7.26á ), где параметры эквивалентной схемы

 

 

Râ÷ îê

 

R1 (Rä + rá )h21ý (rý + R~ )

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Rä + rá )R1 + h21ý (rý + R~ )

 

 

Ñ0

 

 

 

1

 

+ Ñê

R ~ (1 + h21ý )

2π f h

(r

ý

+ R

~ )(1 + h21ý )

rá ý + R

~ (1 + h

21ý )

 

 

21ý

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

+ Ñê.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π f ò (rý + R ~ )

 

 

 

 

(7.6)

(7.7)

Видно, что на частотные свойства входной цепи влияет в основном Сê ê << Cáý), что увеличивает граничную частоту по условию 0,707

1

 

 

fâ îê

 

.

(7.8)

2π R â îê C 0

При оптимальных, с точки зрения ОС условиях, (Rã

= 0, R → ∞ ) каскад

способен пропускать очень широкую полосу частот (fâ

fãð), зависящую от

трудно контролируемых факторов.

 

 

 

На нижних частотах влияние на частотные свойства входной цепи оказывают разделительные емкости. Пренебрегая в области нижних частот влиянием реактивностей транзистора, вследствие малой величины емкости переходов, входное сопротивление каскада будет чисто активным и состоящим из параллельного соединения Rä è Râõ îê (ðèñ. 7.27à).

Ðèñ. 7.27

Упрощенная эквивалентная схема входной цепи (рис. 7.27á) содержит элементы

 

 

 

 

Rí÷ = R1,

 

R

=

R

ä

(rá+ (rý + R ~ )h21ý )

 

 

 

 

,

(7.9)

 

 

 

0

 

R ä

+ rá+ (rý + R ~ )h21ý

 

 

 

 

и граничная частота для сквозного коэффициента усиления определяется как

f*í÷ îê = 1/2π C1(R1 + R0 îê).

(7.10)

7.2.2 Свойства выходной цепи

Исследование свойств выходной цепи эмиттерного повторителя в области НЧ проводятся с использованием эквивалентной схемы выходной части каскада.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа ¹ 7

335

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ðèñ. 7.28

Если считать управляемый источник тока (SïUï) идеальным и сопротивление КБ перехода очень большим, что в большинстве случаев справедливо, то источником выходного сигнала (рис. 7.28) можно считать БЭ промежуток, обладающий некоторым сопротивлением (при условии, что источник входного сигнала Еã отсутствует).

Для эквивалентной схемы выходной цепи эмиттерного повторителя в области НЧ

uáý = iáR1 + u; u = uáý iáR1.

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Râûõ îê =

R 1

+ h11ý

=

R 1 + rá+ rá ý

.

(7.11)

 

 

 

 

 

 

 

1 + h21ý

1 + Sï ráý

 

Используя теорему об эквивалентном генераторе эквивалентную схему

(ðèñ. 7.28à) можно сделать более удобной для анализа (рис. 7.28á), ãäå

 

R

 

 

=

R âûõ îê R 5

.

(7.12)

í÷ îê

 

 

 

 

R âûõ îê

+ R 5

 

 

 

 

 

 

 

Нижняя граничная частота эмиттерного повторителя по уровню 0,707, оп-

ределяемая свойствами выходных цепей

 

 

 

 

fí÷ îê = 1/2π C2(Rí÷ îê + R6).

(7.13)

Влияние реактивных цепей транзистора на частотные свойства выходных цепей (область верхних частот) ЭП определяется не только влиянием емкостей переходов транзистора, а также индуктивностью общего вывода транзистора Lâûõ = rá+ R1/ω ò. Индуктивность Lâûõ учитывает снижение h21ý с ростом частоты (рис. 7.29à). На свойства выходной цепи оказывает входная цепь следующего каскада, представленная активной (R6) и реактивной (С6) составляю-

Ðèñ. 7.29

336 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

щими. Вследствие низкого выходного сопротивления эмиттерного повторителя влиянием выходной емкости транзистора на частотные свойства в схеме с ОК можно пренебречь. Эквивалентное сопротивление выходной цепи

1/Râ÷ = 1/Râûõ îê + 1/R5 + 1/R6,

(7.14)

а эквивалентная емкость

 

 

 

Ñ0 = Ñâûõ + Ñ5,

 

(7.15)

ãäå

 

 

 

 

Ñâûõ Ñê(1 + h21ýR /(R1 + Râõ îý),

 

à Râûõ îê определяется по (7.11).

 

 

 

Тогда выходное напряжение

 

 

 

Uâûõ = IZ0 = I/jω C0 = SïUï /jω C0,

(7.16)

I =

E â

jω C 0

.

(7.17)

R â + j(ω

L + 1 ωj C 0 )

 

 

 

Верхняя граничная частота по уровню 0.707, определяемая влиянием выходной цепи

fâ÷ îê = 2π (LC 0 + RC 0 )+ (RC 0 )2 + 1RLC20 + 5(LC 0 )2 LC 0 . (7.18)

Верхняя частота, определенная по упрощенной формуле, не учитывающей влияние индуктивности общего вывода

fâ÷ îê = 1/2π Râ÷C0,

(7.19)

ãäå Râ÷ è Ñ0 определяются в соответствие с (7.14), (7.15).

8 Список литературы

1.Головин О. В., Кубицкий А. A. Электронные усилители. М.: Радио и связь, 1983. 323 с.

2.Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Радио и связь, 1997. 367 с.

3.Усилительные устройства / под ред. Головина О. В. М.: Радио и связь,

1993.

4.Разевиг В. Д. Система схемотехнического проектирования Micro-CAP V. М.: СОЛОН, 1997. 273.

5.http://WWW/spectrum-soft/com/demo/html (адрес в Internet для получе- ния студенческой версии ССМ МС).

Приложение 1

эквивалентное внутреннее сопротивление источника сигнала R1 = 510 Îì;

ток покоя транзистора Iêî = 2 ìÀ;

параметры транзистора КТ326В:

h21ý = 99, rý = 25,6 Îì, Ñê = 5 ïÔ, τ ê = 450 ïñ, fãð = fò = 400 ÌÃö.

Лабораторная работа ¹ 8

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ЦЕПЯМИ КОРРЕКЦИИ

1 Цель работы

Исследование влияния корректирующих звеньев и отрицательной обратной связи на частотные свойства и переходные характеристики резисторных каскадов.

Выбор параметров корректирующих цепей для обеспечения максимально плоской амплитудно-частотной характеристики усилителя и минимума искажений переходной характеристики.

2 Задания по расчетной части

2а Высокочастотная коррекция

1. Рассчитать верхнюю частоту fâ÷ ãð для схемы простой коллекторной коррекции для коэффициента искажений М = 3 дБ и параметров схемы, изображенной на рис. 8.1, à.

2б Низкочастотная коррекция

1.Определить при известных величинах компонентов принципиальной

схемы (рис. 8.2à) оптимальное значение Сô, обеспечивающее максимально плоскую амплитудночастотную (АЧХ) характеристику каскада.

2.Определить граничную частоту fí÷ ãð по уровню — 3 дБ, для рассчитанной емкости Сô.

3 Задания по экспериментальной части

3а Высокочастотная коррекция

1. Получить АЧХ каскада с индуктивной ВЧ коррекцией. Оценить по ней значение fâ÷ ãð по уровню — 3 дБ для элементов принципиальной схемы, указанных на рис. 8.1à.

338Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

2.Изучить влияние элементов корректирующего звена L и R на свойства

À×Õ.

Обеспечить максимально плоскую АЧХ и определить fâ÷ ãð.

3.Получить переходную характеристику на выходе усилителя для случая, максимально плоской АЧХ и, по ней оценить время установления импульса, величину выброса импульса.

4.Получить АЧХ каскада, использующую эмиттерную коррекцию (рис. 8.1á). Для указанных на принципиальной схеме значениях элементов определить fâ÷ ãð по уровню –3 дБ.

5.Изучить влияние на АЧХ параметров корректирующей цепи. Вариаци-

åé Rêîð è Cêîð добиться максимально плоской АЧХ, и определить fâ÷ ãð по уровню –3 дБ.

6.Оценить параметры переходной характеристики для случая максимально плоской АЧХ.

3б Низкочастотная коррекция

1.Получить АЧХ усилительного каскада для элементов схемы, указанных на рис. 8.2à. Оценить значение fí÷ ãð по уровню –3 дБ.

2.Вариацией параметров звена Rô è Cô обеспечить максимально плоскую АЧХ каскада. Оценить fí÷ ãð по уровню –3 дБ.

3.Получить переходную характеристику на нагрузке усилительного каскада и оценить величину искажений выходного импульса при максимально плоской АЧХ.

4.Для указанных параметров принципиальной схемы усилителя с НЧ коррекцией за счет ООС (рис. 8.2á), получить АЧХ и оценить значение fí÷ ãð.

5.Подбором параметров цепи обратной связи обеспечить максимально плоскую АЧХ усилителя. Оценить значение fí÷ ãð по уровню –3 дБ.

6.Получить переходную характеристику каскада для случая максимально плоской АЧХ и оценить величину искажений выходного импульса.

4 Описание принципиальной схемы

4а Схемы высокочастотной коррекции

На рис. 8.1 представлены принципиальные схемы усилительных каскадов реализующих принцип высокочастотной коррекции, основанный на применении специального корректирующего звена (RLC) или цепочки в эмиттере, использующей явления отрицательной обратной связи (ООС)

Схема широкополосного усилителя с коллекторной коррекцией (ðèñ. 8.1à) построена по традиционной схеме резисторного каскада при включении биполярного транзистора (БТ) по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Резистор R1 отображает внутреннее сопротивление источника сигнала, С1 и С3 являются разделительными конденсаторами, исключающими протекание постоянных токов от источника сигнала в усилительный каскад и наоборот, а С3 попадание постоянной составляющей из каскада в нагрузку (R6, C4). Резисторы R2 и R3 являются делителем, обеспечивающим напряжение смещения на базе и

Лабораторная работа ¹ 8

339

 

 

Ðèñ. 8.1

протекание базового тока. Цепочка R5 C2 используется как цепочка температурной стабилизации, обеспечивающая поддержание режима по постоянному току (рабочую точку) за счет ООС на резисторе R5 вместе с R3 и, сохраняющую высокий коэффициент усиления на рабочей частоте из-за исключения ООС по переменному току. Резистор R4 выполняет двоякую роль: элементом, с которого снимается усиленное напряжение, и одновременно является «сопротивлением потерь» в индуктивности L1, входящей в состав колебательного контура. Емкостной составляющей колебательного контура является конденсатор С4, реально отображающий емкость входа следующего каскада, определяемую в основном емкостью базо-эмиттерного перехода.

В схеме широкополосного усилителя с эмиттерной ВЧ коррекцией, представленной на рис. 8.1á, отсутствует корректирующая индуктивность L, а роль корректирующего звена выполняет дополнительно включенная в эмиттер цепочка R13 С9, параметры которой выбраны таким образом, что в области рабочих частот она выполняет роль цепочки ООС по постоянному и переменному токам. С ростом частоты С9 шунтирует R13 и устраняет ООС по переменному току увеличивая коэффициент усиления каскада. С резистора R10 снимается усиленное напряжение (часть нагрузки по переменному току). Нагрузкой усилителя является параллельное включение R10, R12, C8.

Режимы по постоянному току обоих каскадов выбраны одинаковыми, чтобы можно было легко сравнить эффективность работы различных схем коррекции.

Соседние файлы в предмете Теоретические основы электротехники