Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиотехнические цепи и сигналы. Лабораторный практикум. Учебное пособие.pdf
61
Таблица 8.2
Uз [В]
0.3
0.2
0.1 0 –0.1
–0.2
–0.3
–0.4
–0.5
–0.6
–0.7
–0.8
Iст [мA]
12.2
11.6
10.8
10
9.2
8.42
7.65
6.91
6.19
5.49
4.82
4.18
Uз [В]
–0.9
–1
–1.1
–1.2
–1.3
–1.4
–1.5
–1.6
–1.7
–1.8
–1.9
–2.0
Iст [мA]
3.57 3 2.47
1.98
1.54
1.15
0.81
0.53
0.3
0.14
0.03
0
0
()f
р
()Z
у
( , )tτ
кр
β
kβ= β
( )
RR
Параметры
р
f
,
кГц
ОС
вн
R
,
Ом
Q
0,7
2 f∆
,
кГц
р
Z
,
кОм
i
S
,
мА/В
K
β
τ
,
мс
у
t
,
мс
Без ОС
С положительной
ОС
С отрицательной
ОС
8.3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
1. Изучите основные вопросы темы по конспекту лекций и литера-
туре [2, с. 421–427; 5, с. 67–72; 1, с. 156–158].
Указание. Результаты расчетов занесите в табл. 8.3.
2. Для усилителя без обратной связи определите резонансную ча-
стоту
, добротность (Q), полосу пропускания (2∆f
сопротивление контура
ния переходного процесса
рабочей точке U
и резонансный коэффициент усиления (Kp).
0
, постоянную времени и время установле-
, а также крутизну Si транзистора в
), резонансное
0.7
3. Постройте график АЧХ усилителя без ОС и график его переход-
ной характеристики. На графиках отметьте полосу пропускания и время окончания переходного процесса.
4. Рассчитайте критические значения коэффициента
, соответ-
ствующие порогу возбуждения усилителя с положительной ОС.
5. Повторите пп. 2 и 3 для усилителя с положительной и отрица-
тельной ОС при
(k задано в табл. 8.1). Вычислите сопротивле-
кр
ние, вносимое в резонансный контур усилителя при ПОС и ООС
ПОС ООС
,
вн вн
.
Вид ОС
Таблица 8.3
р
кр
62
Пояснения и расчетные соотношения
()Kjω
()jβω
U
вых
U
Kj()ω
βω()j
вых
ОС
вх
()
()
()
()1 ()()
Uj
Kj
Kj
U j Kj j
ω
ω
ω= =
ω − ωβ ω
вых
р вх
вх
()
()
()
i
Uj
K j SZ
Uj
ω
ω= =
ω
i
S iU≈∆ ∆
, iU∆∆
р
K
Радиотехническая цепь, у которой выходной сигнал (или его часть),
возвращается на вход (рис. 8.3), называется цепью с обратной связью.
Она состоит из основного четырехполюсника с коэффициентом передачи
дачи
и четырехполюсника обратной связи с коэффициентом пере-
.
Рис. 8.3. Цепь с обратной связью
Коэффициент передачи цепи с ОС вычисляется по формуле
. (8.1)
В нашем случае основной четырехполюсник – это резонансный
усилитель, работающий в линейном режиме. Четырехполюсник обрат-
ной связи – это трансформатор, соединяющий вход и выход усилителя.
Коэффициент передачи резонансного усилителя без ОС
где
– комплексное входное сопротивление параллельного резо-
Z
вх
нансного контура (7.2); S
которую для заданного напряжения смещения U
пользуя ВАХ рис. 8.2 или табл. 8.2, по формуле
– небольшие приращения тока и напряжения с центром в ра-
бочей точке U
АЧХ резонансного усилителя (зависимость
, (8.2)
– дифференциальная крутизна транзистора,
i
можно найти, ис-
0
, где
.
0
от частоты)
63
рр
вых
р
22
вх
0
0
()
()
()
1+
1+
ii
SZ SZ
Uf
Kf
Uf
a
ff
Q
f
= = =
−
. (8.3)
0
f
р
Z
Q
р р0 р
()
ii
K K f SZ SQ= = = ρ
р0
( ) sin( )
t
i
ht Se t
−α
=ρω
( 1)τ= α
ОС
вн п р
R RK=±β
ООС
вн
0R >
ПОС
вн
0R <
Q
ρ
ОС
ОС
п вн
эр
(1 )
2
RR
K
L
±
α = =α± β
ОС
э
Q
ОС
э
α
Резонансная частота
ность контура
, резонансное сопротивление
рассчитываются по формулам (7.1), (7.2 а) работы
и доброт-
№ 7.
Модуль коэффициента передачи усилителя на резонансной частоте
(резонансный коэффициент усиления)
. (8.4)
Переходная характеристика резонансного усилителя без ОС
. (8.5)
Постоянную времени усилителя
ного процесса (t
) можно определить по формулам (7.6), (7.7) работы
у
и длительность переход-
№ 7.
Положительная ОС увеличивает, а отрицательная уменьшает мо-
дуль коэффициента передачи основного четырехполюсника.
Для выявления влияния ОС на частотные и временные свойства ре-
зонансного усилителя можно заменить обратную связь на вносимое в
контур эквивалентное сопротивление
. (8.6)
Причем при отрицательной ОС в контур вносятся дополнительные потери:
; при положительной ОС потери уменьшаются:
.
Появление в контуре дополнительного сопротивления вызовет из-
менение добротности и коэффициента затухания:
ОС
Q
= =
э
ОС
RR K
± ±β
п вн р
1
Подставляя значения эквивалентной добротности
алентного коэффициента затухания
,
в формулы (7.4), (7.7), (8.3) –
. (8.7)
и эквив-
64
(8.5), можно вычислить характеристики и параметры усилителя при
кр
()β
ПОС
п вн п р кр р кр
(1 ) 0 1RR R K K− = − β = → β=
ПОС
ОС э
, 0K →∞ α →
0 0,7 вых
( , 2 , )f fU∆
вх
0.1 ВU =
и KQ
(0.1 В)
0
f
0.7
2 f∆
( )
()Kf
ПОС и ООС.
Если при положительной ОС менять какой-либо из параметров си-
стемы (например β), то можно добиться равенства между сопротивлением потерь и вносимым в контур отрицательным сопротивлением.
Такой режим работы усилителя и соответствующее ему значение пе-
ременного параметра
называются критическими.
. (8.8)
В критическом режиме
, т. е. переходной про-
цесс перестает затухать. Система теряет устойчивость (самовозбуждается).
8.4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Указание. По результатам эксперимента проводится расчет и заполняется
таблица, аналогичная табл. 8.3.
1. Для усилителя без ОС определите экспериментальные значения
резонансной частоты, полосы пропускания и выходного напряжения
при
. По результатам вычислите
.
р
Откройте файл «Усилитель с ОС.ms10» .
Ключами Кл1, Кл2 присоедините к входу исследуемой цепи источ-
ник синусоидального напряжения (V1). Ключ Кл4 при этом должен
быть разомкнут. Дважды кликните на значке источника. Откроется
вкладка «AC_POWER». В строке «Частота (F)» установите рассчитанную в предварительном задании резонансную частоту, а в строке
«Voltage (RMS)» действующее значение входного напряжения
.
Активизируйте мышкой источник Uо и проверьте соответствие
установленного смещения вашему варианту.
Определите резонансную частоту
вольтметра U
, полосу
вых
2. Снимите АЧХ
– по уровню 0.707 от этого максимума.
резонансного усилителя без ОС. Для
по максимуму показаний
этого откройте построитель частотных характеристик «XBP1». Активизируйте кнопку «Установки» («Settings…») и в открывшемся окне
увеличьте значение Resolution Points до 1000. Задайте режим работы
65
«Модуль» («Magnitude»). По горизонтальной и вертикальной оси
0
( 10 кГц)If= −
0
( 10 кГц)Ff= +
( 0)I =
K
0,5 кГц
τ
( )
экс
кр
β
кр
β
выберите линейный масштаб «Лин» («Lin»). Установите начальное
и конечное
частоты, а также начальное
и конечное значения масштаба
значения изменения
усиления (используйте данные предварительного задания).
АЧХ с помощью курсора перенесите и постройте на одном графике
с рассчитанной в предварительном задании.
Определите по графику резонансную частоту, полосу пропускания
и резонансный коэффициент усиления. Сравните с п.1.
Внимание! В случае разницы между
по п. 1 и п. 2 более чем на
р
10 % повторите настройку генератора в резонанс (п. 1).
3. Получите осциллограмму переходной характеристики резонанс-
ного усилителя без ОС. На вход схемы подайте последовательность
прямоугольных импульсов от источника V2. Активизируйте мышкой
вкладку источника «Value» и в соответствующих пунктах меню установите частоту повторения импульсов
, амплитуду 1 В.
Активизируйте осциллограф. Установите удобные для наблюдения
масштабы по оси времени (Scale Timebase) и по оси напряжений (Scale
Channel A, B). Зарисуйте полученные осциллограммы в отчете. С помощью курсоров по уровню 0,05 от максимального значения определите экспериментальное время установления переходного процесса t
Вычислите
.
y
Результаты занесите в таблицу и сравните их с расчетными.
Указание. При наложении переходных процессов друг на друга умень-
шите частоту повторения импульсов источника V2.
.
4. Найдите экспериментально критическое значение коэффициента
обратной связи
. Отключите от усилителя входное напряжение.
Замкните ключами Кл3, Кл4 положительную обратную связь. Установите в меню трансформатора рассчитанное в предварительном задании
(«Коэффициент связи», «Coefficient of coupling»). Для изменения β
дважды кликните левой клавишей мыши на изображении трансформатора и в открывшемся меню установите нужный «Coefficient of cou-
pling» («Коэффициент связи»). Активизируйте осциллограф. Включите
моделирование. Наблюдая за изменением показаний вольтметра U
ОС
дождитесь самовозбуждения усилителя, т. е. появления на экране осциллографа гармонических колебаний. Если колебаний нет, постепен-
,
66
но увеличивайте β, если есть – уменьшайте так, чтобы оказаться на
β
экс
кр
kβ= β
кр
β
границе потери устойчивости. Сравните экспериментальное и расчетное значения
.
5. Изучите влияние обратной связи на частотные и временные ха-
рактеристики резонансного усилителя. Для этого установите
(k из табл. 8.1) и повторите пункты 1–4 практического задания при
ПОС и ООС. Совместите полученные графики АЧХ и рисунки переходных характеристик с соответствующими для усилителя без ОС.
6. Проверьте с помощью переходной характеристики найденное в
п. 5 значение
. Для этого, меняя β, добейтесь осциллограммы пере-
ходного процесса, соответствующей α ≈ 0.
8.5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое обратная связь, положительная и отрицательная об-
ратная связь?
2. Запишите выражение для коэффициента передачи четырехпо-
люсника с ОС, ПОС и ООС.
3. Как влияет ОС на амплитудно-частотную характеристику цепи?
4. Получите выражение для коэффициента усиления резонансного
усилителя без обратной связи, с ПОС, с ООС.
5. Поясните влияние ОС на коэффициент усиления и полосу про-
пускания резонансного усилителя, а также на добротность контура.
6. Как влияет ОС на величину нелинейных искажений, на стабиль-
ность цепи (авторегулирующее действие ОС)?
7. Влияние ООС и ПОС на переходные характеристики резонанс-
ного усилителя.
8. Время установления переходного процесса в усилителе без ОС, с
ПОС и ООС.
9. Что такое критический режим работы резонансного усилителя,
условия его возникновения?
10. Как выглядит переходная характеристика резонансного усилите-
ля на границе устойчивости, в неустойчивом режиме?
67
п
,CR
R
0
U
п
E
III. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ
РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
Работа № 9
НЕЛИНЕЙНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ
УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ
9.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование нелинейного усиления колебаний и умножения ча-
стоты колебаний в резонансном усилителе на полевом транзисторе;
определение основных параметров и характеристик.
9.2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ВИРТУАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
Лабораторная работа выполняется в среде «Multisim». Схема виртуального устройства показана на рис. 9.1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полевого транзистора приведена в приложении 3. Вели-
чины
В состав лабораторного виртуального стенда кроме резонансного
усилителя входят следующие приборы:
• генератор амплитудно-модулированных сигналов G1;
• источник напряжения смещения (+2 В) с возможностью измене-
ния напряжения
• источник питания НЭ с напряжением
• АС-вольтметр на выходе;
• двухканальный осциллограф XSC1;
• измеритель АЧХ (Bode Plotter) XBP1,
• анализатор спектра XSA1.
и
приведены в таблице заданий (для каждой бригады).
ш
;
= –12 В;
68
Рис. 9.1. Схема лабораторного устройства
p
f
ρ
0.7
2 f∆
p
Z
ш
R
ш
R
н
Z
1
p LL
=
( )
cp 1 m
S IU=
p
K
вых
U
0
U
m
U
( )
1 max min
( )2Ii i= −
9.3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
Исходные параметры схемы приведены в таблице заданий (приложение 4).
1. Изучите основные вопросы темы по конспекту лекций и литера-
туре [4, с 106–114; 6, гл. 5 и 6; 1, с. 231–235; 3, с. 177–181].
2. Рассчитайте резонансную частоту
противление
нансное сопротивление
шунта
, добротность Q, полосу пропускания
контура усилителя без учета сопротивления
.
3. Повторите расчет с учетом сопротивления шунта
4. Рассчитайте сопротивление нагрузки НЭ
подключения контура (
) в цепь транзистора).
, характеристическое со-
.
(c учетом неполного
5. Используя ВАХ транзистора, рассчитайте среднюю крутизну
, коэффициент резонансного усиления (
) и выходное
и резо-
напряжение усилителя (
таблице заданий.
Амплитуду тока первой гармоники рекомендуется определять по
формуле трех ординат
). Режим работы НЭ (
.
и
) указан в
69
Результаты расчетов по пунктам 2–5 сведите в таблицу.
p
f
ρ
Q
0.7
2 f∆
p
Z
Z
э
Q
0.7э
2 f∆
н
Z
cp
S
p
K
U
1 max min
()[ () ()]2
m mm
I fU i U i U= = −
0
0.5 BU =
0
U
m
U
2ω
0
U
p
f
Q
0.7
2 f∆
p
Z
ш
R
p
1
2fLC
=
π
p
p
1 L
L
CC
ρ=ω = =
ω
п
Q
R
ρ
=
0.7
2
p
f
fQ∆=
p
ZQ= ρ
pэ
Z
э
Q
0.7.э
2 f∆
ш
R
p ш
рэ
p ш
ZR
Z
ZR
=
+
рэ
э
Z
Q =
ρ
p
0.7э
2
э
f
fQ∆=
,
,
кОм
кГц
Примечание. Сохраните эти данные для последующей работы (№ 10).
кГц
,
,
кОм
pэ
кОм
,
кГц
,
кОм
,
,
мА/В
6. Рассчитайте и постройте амплитудную (колебательную) харак-
теристику усилителя
,
вых
В
при
.
7. Определите угол отсечки для оптимальной работы удвоителя и
соответствующее напряжение смещения
напряжения частоты
считать: а) фиксированной и равной 0.5 В;
p
б) регулируемой и численно равной
. Амплитуду
.
входного
Пояснения и расчетные соотношения
Резонансная частота
добротность
ние
контура усилителя без учета сопротивления шунта
, полоса пропускания
Эквивалентные резонансное сопротивление
полоса пропускания
шунта
:
, характеристическое сопротивление ρ,
и резонансное сопротивле-
:
,
,
,
,
.
, добротность
контура усилителя с учетом сопротивления
и
,
,
.
70
Сопротивление нагрузки НЭ
н
Z
1
/pLL=
2
н рэ
Z pZ=
1
12
L
p
LL
=
+
1
I
S
max min
1
2
ii
I−=
max min
1
cp
2
mm
ii
I
S
UU
−
= =
p
K
вых
U
cp н
вых 1 2
p cp н
1m
SZ
U LL
K SZ
U Lp
+
= = =
вых p m
U KU=
[ ]
UUU
н
U
o
опт γ
180 / nθ=
2,3,4,...n =
const
m
U =
0
varioU −
o
опт
120 / n
α
θ=
2,3,4,...n =
max
constI =
m
U
0
U
0m
UU=
контура (
) в цепь транзистора):
(c учетом неполного подключения
,
где
Амплитуда тока первой гармоники
.
, средняя крутизна
cp
тоду трех ординат):
,
Коэффициент резонансного усиления
напряжения усилителя
:
и амплитуда выходного
,
.
.
Угол отсечки проходного тока транзистора:
,
m
где
arccos ( )
θ= −
0 н
– напряжение отсечки ВАХ транзистора при аппроксимации ее
кусочно-линейной зависимостью.
Оптимальный угол отсечки умножителя частоты:
,
– для случая, когда амплитуда входного сигнала постоянна
(
), а максимальное значение тока n-й гармоники обеспечи-
вается выбором соответствующего напряжения смещения (
(по ме-
);
– для случая, когда амплитуда импульса тока постоянна
(
), что обеспечивается изменением как величины
и величины
, при этом
,
, так
.