Frisk_1_tom
.pdf
360 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Ðèñ. 8.23
вывод на экран процесса в узле V(8). Для обоих случаев определите время установления импульса.
Повторите эксперимент, установив величины компонентов усилителей соответствующих случаям максимально плоской АЧХ. Результаты занесите в табл. 1.
Анализ свойств усилителей с НЧ коррекцией
Исследование свойств резисторных каскадов с НЧ коррекцией необходимо начать с установки файла VresLcor, содержащего необходимые принципиальные схемы или с последовательного ввода элементов принципиальной cхемы с корректирующим звеном — развязывающим фильтром, или с цепоч- кой коррекции за счет внешней ООС.
Назначение элементов принципиальных схем рис. 8.2 описано ранее. Для проверки идентичности режимов транзисторов по постоянному току последовательно из окна схем входим: Analysis → Dynamic DC → Dynamic DC Limits → OK. При активированной пиктограмме напряжений, на принципиальных схемах усилителей будут указаны напряжения в узлах (рис. 8.24).
Активизировав пиктограмму Currents окна схем получим значения токов в ветвях принципиальных схем усилителей. Их значение составляет Iý0 = 1,6 мА для каждого транзистора. Равенство режимов работы транзисторов позволяет судить об эффективности каждого метода коррекции, особенностях использования.
Анализ частотных свойств усилителя с корректирующей цепочкой в виде RôCô, роль которой выполняют компоненты R20 C14, проводится при подключении на вход усилителя источника гармонического сигнала SG, параметры которого описаны на рис. 8.5.
Лабораторная работа ¹ 8 |
361 |
|
|
Ðèñ. 8.24
Анализ проводится в низкочастотной области, что отражено в пределах интегрирования и выводимых на монитор кривых. Описание подменю (рис. 8.25) AC Analysis Limits подробно изложено в комментариях к рис. 8.11.
Характер кривых в узловых точках, для указанных на рис. 8.24à значениях элементов схемы, представлен на рис. 8.26. Используя методику, приведенную в комментариях к рис. 8.14 оцените значение нижнее граничной частоты fí÷ ãð = 121 Гц. Повторите эксперимент для значений разделительной емкости С12 = 10 мкФ и 100 мкФ. Для наиболее плоской кривой, обладающей наименьшей fí÷ ãð провести оптимизацию значения емкости фильтра (С14), обеспечивающей минимальную граничную частоту. Полученные результаты привести в табл. 2.
Ðèñ. 8.25
362 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Ðèñ. 8.26
Влияние цепочки внешней обратной связи на АЧХ в области НЧ на примере схемы (рис. 8.24á) изучается при воздействии гармонического сигнала SG с параметрами, описанными на рис. 8.6. Пределы анализа задаются в соответствие с рис. 8.27.
Амплитудно-частотные характеристики, полученные для компонентов схемы, соответствующей рис. 8.24á, представлены на рис. 8.28.
Как видно из рисунка значение нижней граничной частоты значительно уменьшилось по сравнению с предыдущей схемой. Однако при этом уменьшился также и коэффициент усиления. Результаты измерений занесите в табли. 2. Вариацией величиной емкости конденсатора связи С20 получите максимально плоскую АЧХ для значения сопротивления связи R31 = 10 кОм. Результаты моделирования занесите в таблицу 2.
Таблица 2
Тип корр.звена |
Параметры АЧХ |
|
Параметры |
F í÷ ãð, Ãö |
Время уст.Tó, |
Ñêîë âåðø. ∆ , |
||
корректирующих цепей |
ñåê. |
% |
||||||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Развязыв. |
Расчетн. |
R20 = |
|
C14 = |
|
|
|
|
фильтр |
Исходн. вариант |
R20 = |
|
C14 = |
|
|
|
|
|
Максим. плоск. |
R20 = |
|
C14 = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Общая отри- |
Исходный вариант |
R31 = |
|
C20 = |
|
|
|
|
öàò. ÎÑ |
Максим. плоск. |
R31 = |
|
C20 = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лабораторная работа ¹ 8 |
363 |
|
|
Ðèñ. 8.27
Ðèñ. 8.28
Моделирование во временной области проводится по методике, используемой ранее при исследовании высокочастотной коррекции.
В схемах рис. 8.24 источники гармонического сигнала заменяются источниками импульсного сигнала SP с параметрами, описанными в подменю рис. 8.19.
364 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
Ðèñ. 8.29
Ðèñ. 8.30
Выбирая в окне схем команду Analysis и, затем последовательно Transient → Transient Analysis Limits, указываем пределы анализа и параметры, выводимые на экран монитора.
Как указано в подменю Transient Analysis Limits в столбце YExpression на экран монитора выводятся переходные характеристики на нагрузке усилителя
Лабораторная работа ¹ 8 |
365 |
|
|
с низкочастотной коррекцией с помощью развязывающих фильтров (узел V(8)), и на выходе усилителя (узел (V16)) с корректирующей частотно-зависи- мой цепочкой внешней обратной связи. Для оценки искажений формы импульса (скол вершины) напряжение в узле V(8) выбираются пределы, позволяющие легко оценить искажения в области больших времен. Значение скола вершины занесите в таблицу 2, для обоих типов схем, изменив пределы анализа по оси ординат.
Следует отметить, что напряжение в узле V(8) берется с обратным знаком, для удобства отсчета.
6 Содержание отчета
6.1.Цель работы.
6.2.Принципиальные схемы исследуемых каскадов.
6.3.Распечатки АЧХ для исходного варианта значений компонентов и обеспечивающих максимально плоскую АЧХ для случая ВЧ коррекции вместе
ñтаблицей 1.
6.4.Распечатку переходной характеристики для параметров схемы, обеспечивающих максимально плоскую АЧХ.
6.5.Распечатки АЧХ для исходного варианта значений компонентов и обеспечивающих максимально плоскую АЧХ для случая НЧ коррекции вместе с таблицей 2.
6.6.Распечатку переходной характеристики для параметров схемы, обеспечивающих максимально плоскую АЧХ.
6.7.Краткие выводы.
7 Краткие теоретические сведения
7.1 Площадь усиления каскада
Назначение элементов, пути протекания постоянных и переменных токов, существование ООС и ее влияние на свойства резисторных каскадов подробно рассмотрены в лабораторных работах ¹ 1 и ¹ 7. Соотношения, описывающие свойства резисторных усилителей, определяют элементы схемы, вносящие частотные искажения, и способы их снижения.
Необходимость расширения полосы пропускания усилителей связана с потребностью усиления широкополосных сигналов, применения цифровых способов передачи и обработки информации. Широкополосные усилители обычно используют резисторные каскады с включением активного элемента (полевого транзистора ПТ, биполярного транзистора БТ) по схеме с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ), обеспечивающие наибольший коэффициент усиления. Принципы работы и технология изготовления активных элементов (АЭ) определяют свойства усилительных каскадов в области верхних частот. Цепи межкаскадной связи вносят частотные искажения в основном в области нижних частот. Поэтому для расширения полосы пропускания (равномерно усиливаемых частот) вводят специальные корректирующие цепи. Коррекция АЧХ и ФЧХ в области верхних частот (области малых времен для
366 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
импульсных сигналов) осуществляется цепями ВЧ коррекции, а в области нижних частот(области больших времен для импульсных сигналов) — цепями НЧ коррекции.
Для эквивалентной схемы резисторного каскада в области верхних частот (рис. 8.31) следует, что исêажения на верхней частоте ω â÷, где коэффициент усиления уменьшается в 
2, определяются соотношением
|
|
|
|
Ìâ÷ = 1/Yâ÷ = 1 + (ω í C 0R â ýêâ )2 , |
(8.1) |
||
ãäå Ìâ÷ — коэффициент линейных искажений; Yâ÷ — нормированный коэффициент передачи каскада.
Ðèñ. 8.31
Для обеспечения требуемой величины линейных искажений при сохранении других технических показателей усилителя в допустимых пределах или получение требуемой полосы пропускания при заданном значении линейных искажений необходимо (8.1) уменьшать Râ÷ ýêâ. Уменьшение Râ÷ ýêâ возможно лишь при уменьшении сопротивления эквивалентного генератора (при неизменности параметров транзистора) определяющего сопротивление нагрузки каскада по переменному току, что снижает коэффициент усиления каскада. Это означает, что увеличения ширины полосы пропускания усилителя при той же величине частотных искажений необходимо снижать коэффициент усиления. При этом площадь усиления
Ï = Ê*fâ÷ ãð ≈const |
(8.2) |
для коэффициента линейных искажений Мâ÷ = 
2, Ê* — коэффициент усиления каскада по ЭДС на средней частоте.
Ïðè Ìâ÷ = 
2, как следует из (8.1)
ω â÷Ñ0Râ÷ ýêâ = 1, |
(8.3) |
откуда |
|
Râ÷ ýêâ = 1/ω â÷ ãðÑ0 = 1/2π fâ÷ ãðÑ0. |
(8.4) |
Для ПТ и электронных ламп, обладающих теоретически бесконечно большим входным сопротивлением (входной ток равен нулю) можно считать напряжение на входе равным ЭДС источника сигнала. В этом случае сопротивлением источника сигнала можно пренебречь вследствие его сравнительной малости. Это значит
Ê* = |
U âûõ |
ñð |
≈ |
U âûõ ñð |
= Ê = SR = SRâ÷ ýêâ, |
(8.5) |
U ã |
|
|
||||
|
|
|
U âõ |
|
||
где К — коэффициент усиления по напряжению на средней частоте.
Лабораторная работа ¹ 8 |
367 |
|
|
Тогда (8.2) примет вид |
|
Ï = Êfâ÷ ãð = SRâ ýêâ = S/2π C0. |
(8.6) |
Соотношение (8.6) показывает, что величина площади усиления при использовании ПТ или электронной лампы в качестве активного элемента (АЭ) надо выбирать усилительный элемент с большей крутизной и меньшей собственной емкостью.
При использовании в качестве АЭ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис. 8.1) коэффициент усиления по ЭДС на рабочей частоте
Ê* = Uâûõ /Uã,
ãäå Uâûõ = h21ýIáR , à Uã = Iá(Rã + rá′+ rá′ý).
В широкополосных усилителях обычно R = R — сопротивление в цепи коллектора, тогда
Ê* ≈h |
21ý |
R/(R |
+ r |
á′ý |
+ r ). |
|
ã |
|
á′ |
При условии, что Мâ÷ = 
2, верхняя граничная частота
fâ÷ ãð = 1/2π C0Râ÷ ýêâ.
(8.7)
(8.8)
Эквивалентная емкость транзистора при условии реализации каскадов на одинаковых БТ, работающих в одинаковых режимах
|
Ñ |
0 |
≈1/2π f |
h21ý |
r |
|
+ C |
h |
21ý |
R/r ; |
|
(8.9) |
||
|
|
|
|
á′ |
ê |
|
á′ |
|
|
|||||
R |
â÷ ýêâ |
= (R + r )r |
á′ý |
/(R + r |
+ r |
á′ý |
). |
(8.10) |
||||||
|
|
á′ |
|
|
|
|
á′ |
|
|
|||||
Подставим (8.9), (8.10) в (8.8), тогда площадь усиления с учетом (8.7)
Ï = Ê*fâ÷ ãð |
= |
h21ý R(R + rá′ + rá ý′) |
|
(1 f h21ý + 2π C |
ê Rh21ý ). |
(8.11) |
|||
|
) |
||||||||
|
|
(R + r |
)(R + r |
+ r |
|
|
|
|
|
|
|
|
á′ |
á ′ |
á ý ′ |
|
|
||
Площадь усиления усилителя на БТ зависит от активных и реактивных параметров транзистора, а также от сопротивления нагрузки (в основном сопротивления в коллекторной цепи) и внутреннего сопротивления источника сигналов.
Для многокаскадных усилителей можно считать, что источником сигнала (Uã) является предыдущий каскада с внутренним сопротивлением источника Rã = R. Тогда (8.11) примет вид
Ï = 1/((1/f |
ò |
+ 2π C |
R)(1 + r /R), |
(8.12) |
|
ê |
á′ |
|
ãäå fò = fh21ýh21ý.
Оптимальное сопротивление в коллекторной цепи (R) каскада, обеспечи- вающее наибольшую площадь усиления, определяется из условия dП/dR = 0
|
Rîïò = |
rá′ 2π f òC ê |
. |
|
|
(8.13) |
|||||||
Максимально достижимая площадь усиления каскада при R = Rîïò |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ï |
ìàêñ |
= f |
/(1 + |
2π f |
ò |
C |
ê |
r |
)2. |
(8.14) |
|||
|
ò |
|
|
|
|
|
á′ |
|
|||||
368 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ
7.2 Высокочастотная коррекция
Высокочастотная коррекция в зависимости от поставленной задачи:
•может обеспечивать подъем АЧХ, который может использоваться для компенсации частотных искажений, создаваемых в других каскадах, элементах тракта;
•расширение полосы пропускания при неизменном коэффициенте искажений;
•увеличение площади усиления при том же значении коэффициента линейных искажений;
•получить более высокое выходное напряжение на том же АЭ и таком же коэффициенте линейных искажений;
•получить больший сквозной коэффициент усиления на один каскад. Высокочастотная коррекция может выполняться либо с применением
корректирующих цепей в коллекторной цепи, либо с использованием ООС.
Простая индуктивная ВЧ коррекция выполняется включением катушки индуктивности в коллкторную цепь БТ (рис. 8.1à).
Эквивалентная схема выходной цепи усилительного каскада с учетом влияния входной цепи следующего каскада приобретает вид (рис. 8.32), где С4 выполняет роль эквивалентной входной емкости следующего каскада
Ñ0 = Ñ4 = Ñýêâ ñë = Ñá′ý ñë + Ñê ñëSï ñëR ñë, |
(8.15) |
R6 = Rí — входное сопротивление следующего каскада.
Ðèñ. 8.32
Индуктивность L1 = L, включенная последовательно с R, вместе с конденсатором С0 образуют параллельный колебательный контур, шунтированный резистором Rí на резонансíîé ÷астоте контур является активным сопротивлением R0ý = ρ Qý, ãäå ρ = 
L
C 0 — характеристическое сопротивление,
à Qý = ρ /r, и r отражает «потери» в контуре, обусловленные R и пересчитанным в контур сопротивлением нагрузки Rí.
На резонансной частоте Rîý >> r. При достаточно большом значении Rí, образующийся контур оказывается высокодобротным, обеспечивая большое значение Rîý и большое R = RíRîý /(Rí + Rîý) — эквивалентное сопротивление нагрузки, а значит и большой коэффициент усиления каскада. Подбором величины L и R можно регулировать положение резонансной частоты и добротность, добиваясь подъема АЧХ в области верхних частот или при максимально плоской АЧХ — увеличения fâ÷ ãð, т. е. расширять полосу пропускания.
Лабораторная работа ¹ 8 |
369 |
|
|
При условии Rí >> R, rêý >> R можно пренебречь влиянием Rã è rêý и эквивалентная схем рис. 8.32à примет вид 8.32á.
Выходное напряжение
|
Uâûõ = IZ ý = SïUïZ ý, |
(8.16) |
|||
ãäå Zý — полное сопротивление контура. |
|
||||
Z = |
(R + jω L) 1 ωj C 0 |
= |
R(1 + jω L R) |
. |
(8.17) |
|
|
||||
|
R + jω L + 1 ωj C 0 |
(jω C 0R −ω 2LC 0 + 1) |
|
||
На средних частотах пренебрегаем влиянием всех реактивностей в усилительном каскаде
Uâûõ ñð = SïUïR. |
(8.18) |
Нормированный коэффициент усиления к усилению на средней частоте
Y(ω ) = K(ω )/Kñð(ω ) = Uâûõ /Uâûõ ñð. |
(8.19) |
Подставляя значения Uâûõ (8.16) Uâûõ ñð (8.18) в (8.20) получаем
Y(ω ) = (1 + jω L/R)/(1 — ω 2LC0 + jω C0R). |
(8.21) |
Введя нормированную частоту
X = ω C0R = ωτ â÷, |
(8.22) |
ãäå τ â÷ = Ñ0R — постоянная времени нагрузки. С учетом (8.22)
Y(ω ) = (1 + jXL/C0R2)/(1 — X2L/C0R2 + jX). |
(8.23) |
Вводя параметр коррекции а = L/CR2 = ρ 2/R2 = Q2ý, где R — сопротивле-
ние потерь в контуре (Rí >> R, rêý >> R).
Модуль нормированного коэффициента передачи
|
|
|
Y = ((1 + aX)2 ) (1 + (1 − 2a)X2 + a2 X 4 ) |
(8.24) |
|
показывает, что при L = 0 (а = 0) АЧХ усилителя соответствует обычному резисторному каскаду без коррекции; при а = аêð = 0,414 получаем наилучшую АЧХ без подъема; а > аêð — АЧХ имеет подъем в области верхних частот (рис. 8.33).
Для чаще всего используемой величины коэффициента частотных искажений М = 3 дБ (Yâ÷ = 0,707) выигрыш площади усиления (или fâ÷ ãð) для а = 0,414 составляет 1,72 раза.
Ðèñ. 8.33 |