4 семестр / Аналоговая электроника / lab4_anal

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РС

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Аналоговая электроника»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО

УСИЛИТЕЛЯ

Студент гр. 4493		Шевцов А.И. Мухин А.П. Дроздов Д.А.
Преподаватель		Виноградов В.А.

Санкт-Петербург

2026

Цель работы:

Исследование широкополосного импульсного усилителя с корректирующими цепями, позволяющими улучшить его амплитудно-частотную характеристику.

Рис. 4.1

О сновные положения. При усилении широкополосных сигналов (к ним относятся и импульсные, ширина спектра которых обратно пропорциональна длительности импульса) важной задачей является сохранение соотношений между амплитудами гармоник в спектре, а значит, и формы сигнала в функции времени. В частности, искажения формы прямоугольных видеоимпульсов характеризуют длительностью фронтов импульса (τ_ф) и спадом его вершины (рис. 4.1). Длительность фронта, приобретаемого импульсом при прохождении через усилитель, обратно пропорциональна верхней граничной частоте амплитудно-частотной характеристики усилителя τ_ф = 0,35/f_в.гр. Спад вершины импульса ΔU в процентах от его амплитуды U_m связан с нижней граничной частотой f_н.гр, а также с длительностью импульса на входе усилителя (τ_и) формулой ΔU/ U_m (%) = = 628 τ_и f_н.гр. Очевидно, что во многих случаях необходимо откорректировать имеющуюся АЧХ, понизить f_н.гр и увеличить f_в.гр.

Коррекция (исправление) АЧХ усилителя осуществляется с помощью внесения в его схему дополнительных элементов.

Низкочастотная коррекция (НЧК) осуществляется разделением R_K – коллекторного сопротивления (рис. 4.2) на два: R_K1 и R_K2. Средняя точка делителя через емкость C_ф соединяется с землей. На низких частотах C_ф представляет собой большое сопротивление, и ее можно не учитывать при определении коэффициента усиления схемы, который определяется суммой сопротивлений в цепи коллектора и равен K_U = S(R_к1 + R_к2). На высоких частотах C_ф превращается в короткое замыкание и шунтирует R_к2, поэтому коэффициент усиления снижается и равен K_U = SR_к1.

C_ф выполняет также функцию фильтра, не допускающего переменный сигнал в источник питания и через него – в другие каскады электронного устройства (именно поэтому емкость помечена индексом «ф»).

Высокочастотная коррекция осуществляется двумя различными способами. Во-первых, последовательно с R_к ставят катушку индуктивности L (рис. 4.3).

Такой способ называется индуктивной высокочастотной коррекцией (ИВЧК). В этом случае при любом значении индуктивности коэффициент усиления схемы возрастает с ростом частоты, так как

K_U = S = S .

При более тонком подборе значения L можно «организовать» резонанс между индуктивностью и паразитной емкостью на частоте, при которой начинается спад АЧХ.

Резонансный контур должен быть параллельным, что в действительности имеет место и может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному току (рис. 4.4). Недостатком ИВЧК является наличие в схеме элемента, габариты которого заметно крупнее остальных, а именно катушки индуктивности.

Второй способ высокочастотной коррекции – эмиттерная (ЭВЧК) не предусматривает введение в схему (схема некорректированного усилителя изображена на рис. 2.1) дополнительных элементов. При этом существенно уменьшается значение емкости C_э. Независимо от своего значения эта емкость не шунтирует R_э на инфранизких частотах температурного дрейфа, поэтому механизм термостабилизации не нарушается. Но маленькая C_э (при малых значениях ее уже не принято называть блокировочной) не шунтирует R_э и на низких и средних частотах сигнала, при этом K_U снижается.

Только на высоких частотах C_э закорачивает эмиттерное сопротивление и коэффициент усиления начинает возрастать – как раз тогда, когда в силу других причин он снижается. ЭВЧК из-за отсутствия индуктивности находит все более широкое применение, хотя обладает существенным недостатком – уменьшением K_U усилителя на низких и средних частотах.

Обработка результатов Схема без коррекции

U_N = U_вых / U_вх

Таблица №1 АЧХ схемы без коррекции
f, Гц	20	200	400	800	2000	4000	20000	40000	80000	200000	400000	1000000	2000000
Uвх, мВ	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.5	2.2	1.9	1.77
Uвых, мВ	35	119.2	126.7	129.3	130.2	130.5	130.4	129.6	129.6	112.8	88.9	38.4	6.9
UN	12.50	42.57	45.25	46.18	46.50	46.61	46.57	46.29	46.29	45.12	40.41	20.21	3.90

К(fгр) = 0.7*K_max = 32.627 fнгр = 140 Гц fвгр = 631000 Гц

НЧ:

k_X = 0.5 мс t_и = 1 мс

τ_Ф = 0.35/ fвгр ≈0.55 мкс ΔU/U_m = 628*f_нгр * τ_И = 628*140*10^-3 = 87.92%

ВЧ:

k_X = 1 мкс t_и = 5 мкс

τ_Ф = 0.35/ fвгр ≈0.55 мкс ΔU/U_m = 628*f_нгр * τ_И = 628*140*5*10^-6 =0.43%

Р ис. 1 АЧХ схемы без коррекции

Р ис. 2 Осцилограмма для схемы без коррекции в области НЧ

Р ис. 3 Осцилограмма для схемы без коррекции в области ВЧ

Из осциллограммы НЧ: τ_ф << 0.2*0.5 = 100 мкс – мин. деление ΔU/U_m = 1.6k_Y/1.8k_Y *100 ≈89 %

Из осциллограммы ВЧ: τ_ф = 1*1= 1 мкс ΔU/U_m = 0.6k_Y/6k_Y *100 ≈10 %

Схема с увеличенным сопротивлением

Таблица №2 АЧХ схемы с увеличенным сопротивлением
f, Гц	20	200	400	800	2000	4000	20000	40000	80000	200000	400000	1000000	2000000
Uвх, мВ	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.8	2.7
Uвых, мВ	10	10.2	10.3	10.3	10.3	10.3	10.3	10.3	10.3	10.3	10.2	7.46	1.87
UN	3.45	3.52	3.55	3.55	3.55	3.55	3.55	3.55	3.55	3.55	3.52	2.66	0.69

К(fгр) = 0.7*K_max = 2.485 fнгр = 0 Гц fвгр = 1080000 Гц

Р ис. 4 АЧХ схемы с увеличенным сопротивлением

Схема с эмиттерной высокочастотной коррекцией

Таблица №3 АЧХ схемы с эмиттерной высокочастотной коррекцией
f, Гц	20	200	400	800	2000	4000	20000	40000	80000	200000	400000	1000000	2000000
Uвх, мВ	2.9	2.9	2.9	2.9	2.89	2.89	2.88	2.88	2.86	2.75	2.47	2.1	1.9
Uвых, мВ	11.40	31.20	43.50	53.00	62.00	66.00	72.20	74.50	76.00	75.50	68.80	33.00	6.38
UN	3.93	10.76	15.00	18.28	21.45	22.84	25.07	25.87	26.57	27.45	27.85	15.71	3.36

К(fгр) = 0.7*K_max = 19.5 fнгр = 1000 Гц fвгр = 810000 Гц

k_X = 0.5 мс t_и = 5 мкс

τ_Ф = 0.35/ fвгр ≈0.43 мкс ΔU/U_m = 628*f_нгр * τ_И = 628*1000*5*10^-6 = 3.14%

Рис. 5 АЧХ схемы с эмиттерной высокочастотной коррекцией

Рис 6 Осцилограмма для схемы с ЭВЧК

Из осциллограммы: τ_ф << 0.6*1 = 0.6 мкс ΔU/U_m = 0.2k_Y/5k_Y *100 = 4 %

Схема с индуктивной высокочастотной коррекцией

Таблица №4 АЧХ схемы с индуктивной высокочастотной коррекцией
f, Гц	20	200	400	800	2000	4000	20000	40000	80000	200000	400000	1000000	2000000
Uвх, мВ	2.9	2.84	2.83	2.83	2.83	2.83	2.83	2.82	2.78	2.56	2.2	1.9	1.78
Uвых, мВ	34.00	119.50	127.10	129.50	130.50	130.70	130.70	130.00	127.60	126.30	97.90	56.70	8.29
UN	11.72	42.08	44.91	45.76	46.11	46.18	46.18	46.10	45.90	49.34	44.50	29.84	4.66

К(fгр) = 0.7*K_max = 34.5 fнгр = 155 Гц fвгр = 810000 Гц

k_X = 1 мкс t_и = 5 мкс

τ_Ф = 0.35/ fвгр ≈0.43 мкс ΔU/U_m = 628*f_нгр * τ_И = 628*155*5*10^-6 = 0.49%

Рис. 7 АЧХ схемы с индуктивной высокочастотной коррекцией

Р ис 8 Осцилограмма для схемы с ИВЧК

Из осциллограммы: τ_ф << 1*1 = 1 мкс ΔU/U_m = 0.4k_Y/8k_Y *100 = 5 %

Схема с низкочастотной коррекцией

Таблица №5 АЧХ схемы с низкочастотной коррекцией
f, Гц	20	200	400	800	2000	4000	20000	40000	80000	200000	400000	1000000	2000000
Uвх, мВ	2.9	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	2.77	2.5	2.2	1.9	1.77
Uвых, мВ	34.00	121.70	127.90	129.80	130.50	130.60	130.50	129.70	127.00	111.90	88.90	39.20	7.00
UN	11.72	43.46	45.68	46.36	46.61	46.64	46.61	46.32	45.85	44.76	40.41	20.63	3.95

К(fгр) = 0.7*K_max = 32.6 fнгр = 100 Гц fвгр = 800000 Гц

k_X = 0.5 мс t_и = 1 мс

τ_Ф = 0.35/ fвгр ≈0.44 мкс ΔU/U_m = 628*f_нгр * τ_И = 628*100*10^-3 = 62.8%

Р ис. 9 АЧХ схемы с низкочастотной коррекцией

Рис. 10 Осцилограмма для схемы с НЧК

Из осциллограммы: τ_ф << 0.2*0.5 = 100 мкс – мин. деление ΔU/U_m = 1.2k_Y/1.6k_Y *100 = 75 %

Вывод:

Таблица №6 Вывод
Схема	fнгр, Гц	fвгр, Гц	τф, мкс		ΔU/U, %
БК	140	631000	НЧ 0	ВЧ 1	НЧ 89	ВЧ 10
БК+R3	0	1080000
НЧК	100	800000	0		75
ЭВЧК	1000	810000	0.6		4
ИВЧК	155	810000	1		5

Наиболее сильно полосу пропускания увеличивает добавленное сопротивление, недостатком является значительно падение коэффицента усиления При низкочастотной коррекции наблюдается очень сильный спад вершины импульса, но практически отсутствует передний фронт импульса. И при эмиттерной и при индуктивной коррекциях спад вершины импульса незначительный, но при эмиттерной коррекции значительно увеличивается нижняя граничная частота. Наилучшим набором параметров обладает индуктивная высокочастотная коррекция.