Frisk_1_tom

590 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

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. Подтверждение выбранного режима анализа и вход в него осуществляется нажатием кнопки OK. Для получения разнесенных по частоте характеристик изменим пределы анализа, войдя в подрежим AC Analysis Limits (рис. 16.15). Для этого необходимо выполнить последовательно (из подменю Stepping) OK → AC → Limits → AC Analysis Limits.

Ðèñ. 16.15

Семейство кривых в зависимости от значения емкости С8 представлены на рис. 16.16.

Переход в режим анализа частотных характеристик АС из подменю Stepping после нажатия кнопки ОК происходит или нажатием «горячего ключа» F2, или команды АС в меню главного окна и затем, на ниспадающем меню строки Run. При этом вместо одной кривой (рис. 16.12) АЧХ появляется семейство кривых, положение которых определяется величиной емкости С8. Выбирая курсором одну из полученных кривых, можно получить кроме текущего значения частоты и коэффициента усиления, величину емкости, при которой она рассчитана (отображается на нижней строке монитора, рис. 16.16).

Для оценки максимума кривой при минимальном значении емкости С8 нажимаем на пиктограмму Peak; при этом кривая подсвечивается обычно серым цветом. Затем, передвигая курсор по вершинам кривых, выбрать кривую, у которой значение максимума ближе всего к 465 кГц. Маркер при этом указывает значение емкости, соответствующее этой кривой. Нажав на пиктограмму Go To Branch (рис. 16.16), перейти на выбранную кривую, используя линейку прокрутки. Выбрать значение емкости С8 (подсвеченной строкой окна С8 Value) и, нажатием на кнопку Right, указать, что положение правого маркера будет определяться на кривой, соответствующей этой емкости (рис. 16.17). Используя повторно линейку прокрутки можно выделить другую кривую (для другого значения емкости С8) нажатием на кнопку Left. Нажатием на кнопку Сlose закрываем подменю Go To Branch и на семействе АЧХ по-

592 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

являются две кривые, подсвеченные разными цветами, соответствующие выбранным значениям емкости С8.

Закрыв подменю нажатием Close, размещаем курсор левее вершины выбранной кривой и нажатием на пиктограмму Peak помещаем маркер на максимум выбранной кривой. Эту процедуру можно заменить ручным перебором значений емкости С8.

Отмена режима пошагового изменения емкости С8 осуществляется установкой точки (No) в рамке Step It подменю Stepping.

Обеспечив необходимую точность установки резонансной частоты контура второго Каскада, проводят расчет АЧХ для определенных в п. 2.1 значений nñîãë и соответствующих им значений m. По полученным кривым оценивают величину резонансного коэффициента усиления и полосы пропускания (Примечание: при выполнении п. 3.1 в качестве nñîãë переключателем S2 устанавливают ближайшие к рассчитанным значения n). Для каждой пары выбранных значений проводится настройка колебательного контура на резонансную частоту с заданной точностью, используя режим Stepping или ручным подбором значения емкости конденсатора С8.

Результаты заносятся в таблицу 1.

Таблица 1

Согласования с нагрузкой

Оптимального рассогласования

Выполнение п. 3.2 проводится по аналогичной методике с внесением результатов исследования в таблицу 1 (режим оптимального рассогласования).

Для выполнения п. 3.3 задания необходимо для m = 0,5 и n = nñîãë обеспе- чить настройку контура второго каскада на частоту 465 кГц с требуемой точ-

ностью. Затем требуется реконструировать принципиальную схему усилителя, соответствующую рис. 16.2. При этом может произойти изменение нумерации узлов, что необходимо учесть при проведении эксперимента.

Установив переключатель S1 во втором каскаде в положение, соответствующее m = 0 (условие отсутствия паразитной ОС), n — произвольное, полу- чают нормированную по напряжению на входе каскада частотную характеристику первого каскада (V8/V2). Определяют точное значение резонансной частоты (и при необходимости корректируют, изменяя значение емкости С3), резонансный коэффициент усиления и полосу пропускания.

Затем устанавливаются значения m и n в соответствии с п. 3.3 задания и снова входят в режим анализа частотных характеристик. Проводится сравнительный анализ полученных частотных характеристик в тех же узлах (изменение резонансной частоты, коэффициента усиления, деформацию АЧХ).

5 Содержание отчета

5.1.Цель работы.

5.2.Принципиальная схема исследуемого каскада.

5.3.Исходные данные для расчета.

5.4.Расчеты, проведенные в соответствии с разделом 2.

5.5.Таблица сравнительных результатов и распечатки АЧХ входного каскада при наличии и отсутствии обратной связи в соответствии с разделом 3.

5.6.Краткие выводы.

6 Контрольные вопросы

6.1.Эквивалентная схема активного четырехполюсника в системе Y-ïàðà-

метров.

6.2.Коэффициент усиления одноконтурного резонансного усилителя.

6.3.Модуль резонансного коэффициента усиления одноконтурного резонансного усилителя.

6.4.Входная проводимость резонансного усилителя в системе Y-парамет- ров при наличии внутренней паразитной ОС.

6.5.Условия достижения максимального коэффициента усиления (согласование с источником сигнала, с нагрузкой, «оптимальное рассогласование»).

6.6.Зависимость резонансного коэффициента усиления от m при n = nñîãë.

6.7.Зависимость резонансного коэффициента усиления одноконтурного резонансного усилителя от n при m = const.

6.8.Внутренняя обратная связь в биполярном транзисторе, причины ее возникновения и способы ее уменьшения.

6.9.Активная составляющая входной динамической проводимости ОС,ее зависимость от частоты и влияние на АЧХ входного усилителя.

6.10.Реактивная составляющая входной динамической проводимости ОС,

ååвлияние на АЧХ входного усилителя.

6.11.Коэффициент устойчивости резонансного усилителя. Количественная оценка, физический смысл.

6.12.Влияние параметров активного элемента на устойчивость резонансного усилителя.

6.13.Влияние внутренней ОС на устойчивость резонансного усилителя.

6.14.Влияние режима работы транзистора на устойчивость резонансного усилителя.

6.15.Влияние коэффициентов включения (m и n) на селективные свойства резонансного усилителя.

7 Краткие теоретические сведения

7.1Коэффициент усиления резонансного усилителя

Êосновным параметрам резонансного усилителя относят: коэффициент усиления, избирательность, коэффициент шума, искажения сигнала и устой-

594 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

чивость. Устойчивость для усилителей означает способность сохранять усилительные свойства в процессе эксплуатации при допустимой (заданной) величи- не искажений (отсутствие самовозбуждения для усилителей является условием необходимым, но недостаточным для обеспечения требуемых технических показателей для усилительных устройств).

В качестве активных элементов в усилителях радиоприемных устройств используются биполярные транзисторы (БТ) и полевые транзисторы (ПТ), включаемые обычно по схеме с общим эмиттером (ОЭ), (ОИ), реализующие наибольшее усиление мощности сигнала.

Анализ свойств РУ резонансного усилителя проводится при замене БТ, как линейного активного четырехполюсника, моделью электрической (обыч- но в системе Y — параметров) или физической (обычно П — образной).

Эквивалентная схема резонансного усилителя при описании БТ системой Y — параметров с одиночным колебательным контуром, включенным в коллекторную цепь БТ, и нагрузкой Yí при частичном включении приведена на рис. 16.18. Выходная часть транзистора включена в контур с коэффициентом включения m, а эквивалентная нагрузка с проводимостью Yí, с коэффициентом включения n. В обоих случаях используется автотрансформаторное вклю- чение.

Ðèñ. 16.18

Источник воздействующего сигнала отражен на схеме эквивалентным генератором тока Iã с внутренней проводимостью Yã.

Система уравнений, описывающих свойства БТ для режима малого сигнала (линейного четырехполюсника) имеет вид:

S = diê/duáý — крутизна в рабочей точке на проходной характеристике транзистора;

fs — граничная частота по крутизне (частота, на которой модуль S уменьшается на 3 дБ);

Нагрузкой каскада является колебательный контур вместе с параллельно включенной проводимостью нагрузки Yí — входной проводимостью следующего каскада.

m = U2/U, n = Uí/U — коэффициенты включения в контур выходной проводимости транзистора и входной проводимости следующего каскада, соответственно.

По закону Кирхгофа:

I1 = Iã – YãU1.

Учитывая, что транзистор включен по схеме с общим эмиттером:

ãäå Y′Σ — пересчитанная к зажимам 22 проводимость контура вместе с внесенной в контур проводимостью нагрузки Yí:

ãäå Yê — собственная комплексная проводимость колебательного контура;

Yê = Gê + jω Cê + 1/jω Lê, обладающая собственной проводимостью контура на резонансной частоте: Gê = 1/Roe и реактивными параметрами Lê è Ñê.

Считая БТ идеальным невзаимным элементом, можно ограничиться влиянием только выходной его части на частотные свойства каскада. В этом случае эквивалентная схема (рис. 16.18) примет вид (рис. 16.19).

Ðèñ. 16.19

Усилительные свойства БТ нашли отражение на эквивалентной схеме в виде управляемого источника тока, величина которого: I1 = Y21U1. Реально к колебательному контуру усилительного каскада подключается входное сопротивление следующего каскада с такими же частотными свойствами, как и исследуемый каскад, т. е. Yí = Gí + jω Ñí.

Коэффициент усиления каскада

Значение выходного тока четырехполюсника (16.2) с учетом (16.6):

I2 = –U2Y′Σ = Y21U1 + Y22U2, тогда

После подстановки (16.9) в (16.8) получаем выражение для комплексного коэффициента усиления каскада:

596 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Эквивалентную схему резонансного усилителя (рис. 16.19) можно упростить, представив его в виде одиночного колебательного контура с пересчи- танными в него эквивалентными проводимостями.

Учитывая (16.7), уравнение (16.10) можно переписать в виде:

ãäå Gý — активная составляющая эквивалентной проводимости контура (рис. 16.20).

Ðèñ. 16.20

Упрощенная эквивалентная схема идентична по свойствам одиночному колебательному контуру, что позволяет свойства усилителя вблизи резонансной частоты описывать через обобщенную относительную расстройку:

ξ ≈2∆ f/f0dý; dý = ρ Gý; ρ = ω 0L; ω 0 = 1L ê C ý , Gý — эквивалентная активная проводимость эквивалентного контура на резонансной частоте ω 0, dý — затухание эквивалентого контура, эквивалентная емкость контура: Сý = Ñê + + m2C22 + n2Ñí.

Модуль коэффициента усиления из (16.11) имеет вид:

Резонансный коэффициент усиления (ξ = 0) одноконтурного усилителя:

Поскольку |Y210| = S — крутизна проходной характеристики в рабочей точ- ке, то

Даже при отсутствии влияния расстройки ξ на коэффициент усиления резонансный коэффициент усиления сложно зависит о т значений m и n. Определим значения коэффициентов включения в контур mîïò è nîïò, при которых можно добиться максимального коэффициента усиления K0. Для этого внача-

ле исследуем уравнение (16.15) на максимум, вычислив dK0/dn = 0. При зна- чении

достигается максимальный коэффициент усиления. Затем, считая Gý = const,

Если контур обладает низкой добротностью (dê dý), то усиление оказывается низким (K0 ≥ 0).

Предельно возможное значение резонансного коэффициента усиления

Как видно из (16.16) и (16.18) резонансный коэффициент усиления максимален при одинаковом шунтировании контура со стороны выхода транзи-

что иногда называют режимом «оптимального рассогласования».

7.2 Коэффициент усиления резонансного усилителя в случае одностороннего согласования

Предельное значение коэффициента усиления достигается фактически при двустороннем согласовании (dê = 0). Наличие потерь в контуре исключает такую возможность и поэтому возможно или согласование выходной проводимости БТ с некоторой эквивалентной проводимостью контура с пересчи- танной в него проводимостью нагрузки:

или проводимости нагрузки с некоторой эквивалентной проводимостью контура, включающей пересчитанную выходную проводимость БТ (рис. 16.21):

598 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ðèñ. 16.21

Это требует выполнение условия: Gý22 = Gýí, что возможно лишь при отсутствии потерь в контуре (Gê = 0).

На практике чаще ограничиваются режимом одностороннего согласования. Нахождение коэффициента включения при согласовании с выходной проводимостью транзистора mñîãë основана на решении уравнения dK0/dm = 0 при некотором фиксированном n = const относительно m. В этом случае дос-

Проведя аналогичный анализ, получим величину коэффициента включе- ния, обеспечивающего согласование с нагрузкой nñîãë при некотором заданном m = const, m2G22 + Gê = n2ñîãëGí, откуда

Модуль коэффициента усиления, соответствующего режиму согласования выходной проводимости БТ с эквивалентной проводимостью нагрузки при выбранном n, получаем подстановкой mñîãë (16.24) â (16.15):

Аналогично получаем выражение для резонансного коэффициента усиления при согласовании усилительного каскада с нагрузкой для выбранного m:

Коэффициенты включения выбирают таким образом, чтобы с учетом прироста проводимостей ∆ G = m2G22 + n2Gí обеспечивалось заданное значе- ние проводимости нагруженного контура Gý (из условия заданной полосы пропускания или требуемой устойчивости). Если важна высокая селективность каскада, то выбором коэффициента включения добиваются состояния, при котором изменение режима БТ, температуры, старение, незначи- тельно влияло на полосу пропускания и настройку контура. Биполярные

транзисторы, включенные по схеме с ОЭ, обладают сравнительно низким входным сопротивлением (≈100—300 Ом), что оказывает сильное шунтирую-

щее действие (Yí) на контур. Это приводит к расширению полосы пропускания. Выходное сопротивление БТ, включенного по схеме ОЭ, составляет

обычно десятки килоом, поэтому часто используется полное включение транзистора в контур (m = 1). Для случая полного включения БТ в контур и заданной полосе пропускания (dý = const) и условии согласования с нагрузкой, выражение (16.23) с учетом полного включения (m = 1 в (16.17)), принимает вид Gý = 2(Gê + n2Gí). Откуда значение коэффициента включения n при согласовании с нагрузкой:

nñîãë = (G ý + 2G k )2G í

и коэффициент усиления при этих условиях:

Сравнение (16.19) и (16.28) показывает, что резонансный усилитель при низкой нагруженной добротности (внесенные проводимости со стороны транзистора и со стороны нагрузки в контур существенно больше собственной проводимости контура Gý >> Gê) K0 max ≈K0 c, что характерно для широкополосных усилителей.

7.3 Влияние внутренней обратной связи БТ на свойства резонансного усилителя

Соотношения, полученные в предыдущем разделе, основывались на предположении отсутствия внутренней ОС обратной связи в транзисторе (Y12 = 0). Реально эта проводимость, обусловленная в основном параметрами коллекторного — базового перехода (КБ), ( | Y12 | ω Cê, ãäå Ñê — емкость КБ перехода) присутствует всегда и существенно влияет на параметры предыдущего усилительного каскада. На П-образной физической модели транзистора параметры КБ перехода отражены элементами Сê è ráê (ðèñ. 16.22).

Элементы эквивалентной схемы БТ отражают процессы, протекающие в его структуре.

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

Ñá′ý — емкость между базой и эмиттером, равная примерно зарядной емкости эмиттерного перехода;