Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебно-методическое пособие
.pdf
R
R
р
р
5. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТОРНОГО КАСКАДА
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ (РАБОТА № 1)
Цель работы: исследование влияния элементов схемы каскада на
его параметры и характеристики; исследование связей между АЧХ и
ПХ каскада; приобретение навыков работы с измерительной аппаратурой и навыков снятия основных характеристик усилительного каскада.
5.1. ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА
Исследуемая схема резисторного каскада и все вспомогательные
элементы (источник питания, индикаторы положения переключателей,
разъемы для подключения измерительных приборов) находятся на макетной плате «Резисторный каскад предварительного усиления».
Принципиальная схема исследуемого каскада без вспомогательных
элементов показана на рис. 5.1.
Каскад собран на биполярном транзисторе BCP54, включенном по
схеме с общим эмиттером. Для обеспечения и
ма работы по постоянному току применена схема эмиттерной стабили-
зации. Элементами этой стабилизации являются резисторы
Конденсатор в цепи эмиттера
.
э
э1 э2
обратной связи на частоте сигнала. Переключатель SA3 позволяет изменять величину емкости эмиттерного конденсатора. При малой емко-
сти за счет резистора
возникает отрицательная обратная связь не
э
только на постоянном токе, но и на частоте сигнала.
Разделительные конденсаторы
С и
.вх
развязку по постоянному току соответственно источника сигнала с
каскадом и каскада с нагрузкой. Они исключают передачу постоянных
и медленно изменяющихся напряжений в направлении от источника
сигнала к нагрузке, что позволяет, во-первых, повысить стабильность
стабилизации его режи-
,RR и
б1 б2
()СС служит для устранения
()СС осуществляют
1 р2
21
режима работы схемы и, во-вторых, осуществлять питание многокас-
R
R
R
кадной схемы от одного источника питания с предельно низким
напряжением. Переключателем SA4 можно изменять величину емкости разделительного конденсатора.
Через коллекторный резистор
в коллекторную цепь транзисто-
к
ра заводится напряжение питания. Величина этого сопротивления во
многом определяет коэффициент усиления каскада.
С помощью переключателей SA5
и SA6 можно изменять величину
активной (S5) и емкостной (S6) составляющей нагрузки.
Цепи
, R С и
нч нч
, R С являются цепями низкочастотной и вы-
вч вч
сокочастотной коррекции каскада соответственно. В настоящей работе
влияние этих цепей на характеристики каскада не исследуется, поэтому они исключаются из схемы замыканием соответствующих переключателей SA1 и SA2.
Сопротивление
ка сигнала
при измерении входного сопротивления каскада. При
с
имитирует внутреннее сопротивление источни-
Г
этом генератор сигнала с низким выходным сопротивлением подключается к гнезду «Вход 2», а гнездо «Вход 1» считается входом каскада.
5.2. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Передаточная функция – отношение изображений Лапласа выход-
ного и входного сигнала (чаще всего выходного и входного напряжения).
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость
модуля передаточной функции от частоты.
Фазочастотная характеристика (ФЧХ) – зависимость аргумента
передаточной функции от частоты.
Переходная характеристика (ПХ) – зависимость мгновенного зна-
чения выходного напряжения от времени при ступенчатом изменении
входного напряжения.
Время установления
t – время, в течение которого нормирован-
у
ная ПХ изменяет свое значение от уровня 0,1 до уровня 0,9.
Спад Δ неравномерность плоской вершины прямоугольного им-
пульса за промежуток времени, равный длительности входного импульса.
22
23
«Резисторный каскад предварительного усиления»
Рис. 5.1. Принципиальная схема лабораторного макета № 1
Частота среза – частота, на которой уровень нормированной АЧХ
E
R
равен 0,707 (–3 дБ), что соответствует уменьшению мощности выходного сигнала в два раза.
Частотные искажения – значение нормированной АЧХ на задан-
ной частоте.
Коэффициент передачи напряжения – отношение выходного
()U
и входного напряжения
вых
()U
цепи:
вх
U
вых
KU (5.1)
.
вх
Сквозной коэффициент передачи – отношение выходного напря-
жения цепи
U к ЭДС источника сигнала
вых
UR
KK
вых вх
e
ERR
ccвх
:
c
,
(5.2)
где
,()
RR входное сопротивление цепи и сопротивление ис-
вх c Г
точника сигнала (генератора) соответственно.
Обратная связь (ОС) – воздействие выходного сигнала устройства
на входной сигнал.
Цепь обратной связи (ЦОС) – элемент, передающий это воздей-
ствие.
Отрицательная обратная связь (ООС) – тип ОС, при котором
входной сигнал устройства изменяется таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного
сигнала.
Частотно-независимая ОС – это ОС, коэффициент передачи ЦОС
которой не зависит от частоты.
Глубина ОС – параметр, показывающий, как изменяется коэффици-
ент передачи устройства при введении ОС.
Петля ОС – замкнутое кольцо, образуемое усилителем и ЦОС.
Петлевое усиление – усиление вдоль разомкнутой петли ОС.
Резисторный каскад – самая распространенная схема каскадов
предварительного усиления
в дискретном исполнении. Его достоин-
ства: простота, малые размеры, хороший ход АЧХ и ПХ.
На рис. 5.2 показана схема резисторного каскада, а на рис. 5.3 – его
АЧХ, которая имеет четко выраженное деление на три частотных диапазона: область нижних, средних и верхних частот.
24
р
R
р
р
+
п
б
С
Р
б
вх
к
С
Р
н
С
вых
н
э
э
Рис. 5.2. Схема резисторного каскада
В области средних частот выходное напряжение, а значит, и коэффициент передачи не зависят от частоты. Это имеет место, если на
этих частотах сопротивления разделительных емкостей
емкости в цепи эмиттера
ление емкости нагрузки
стора
. Кроме того, параметры транзистора – действительные вели-
н
С практически равны нулю, а сопротив-
э
С значительно больше сопротивления рези-
н
, CC и
1 р2
чины.
С повышением частоты, во-первых, начинают сказываться частотные (инерционные) свойства транзистора и, во-вторых, шунтирующее
влияние емкости нагрузки. Сопротивление
1/ C с ростом частоты
н
падает, что снижает сопротивление каскада на переменном токе. Эти
два фактора и приводят к снижению коэффициента передачи на верхних частотах (рис. 5.3).
С понижением частоты возрастают сопротивления емкостей
C и
С
. Возрастание сопротивления эмиттерной емкости вызывает
э
2
1
увеличение глубины ООС за счет конечного сопротивления переменному току в цепи эмиттера и уменьшение выходного напряжения.
,C
25
р
K
р
()/KfK
1
0
,
,С CC
1 р2 э
Транзистор
С
н
Область
нижних частот
Область
средних частот
Область
верхних частот
f
Рис. 5.3. Нормированная АЧХ резисторного каскада:
коэффициент передачи в области средних частот
0
К уменьшению этого напряжения приводит и возрастание сопротивлений разделительных конденсаторов
(1 / )C, так как все
большая часть полезного сигнала будет выделяться на этих сопротивлениях.
АЧХ каскада используется для описания его поведения в частотной
области, во временной области для этих же целей применяют ПХ
(рис. 5.4). Так как форма АЧХ и ПХ определяется одними и теми же
элементами каскада, то любое изменение
АЧХ вызовет соответствующие изменения ПХ. Как известно. ПХ представляет собой реакцию
схемы на входное напряжение, изменяющееся по закону единичной
ступенчатой функции. Такая функция имеет непрерывный спектр от
нуля до бесконечности.
Высокочастотные составляющие спектра формируют собственно
сам скачок, а низкочастотные «отвечают» за плоскую часть ступеньки.
Если бы усилитель имел бесконечно
широкую полосу пропускания,
т. е. без ослабления пропускал на выход все составляющие спектра
входного сигнала, то выходное напряжение также представляло бы
собой ступеньку. Ограничение полосы пропускания в области верхних
частот вызовет затягивание фронта ПХ (появление конечного времени
установления
t ) (рис. 5.4, б), а в области нижних частот – искажение
у
ее плоской части (появление спада Δ) (рис. 5.4, а).
26
R
R
R
()/
utU
вых вых
1
()/
t
utU
вых вых
1
0.9
0.1
t
m
у
t
m
t
и
а б
Рис. 5.4. Нормированные переходные характеристики:
а область больших времен; б область малых времен
Анализ показывает [2], что в области верхних частот резисторный
каскад ведет себя как RC-фильтр нижних частот первого порядка
(рис. 5.5). На рисунке:
R
кн
R
экв
где
С и τ – выходная емкость и постоянная времени транзистора.
вых
кн
,
R
,
экв н вых экв
/ССС R
Передаточная функция такого фильтра описывается выражением
()
где
экв экв экв
Kp
() 1
U р p
вх экв
U р
вых
()
C – постоянная времени фильтра. Модуль этого вы-
1
,
ражения и есть нормированная АЧХ резисторного каскада в области
верхних частот:
()
Uf
() 1 1
Kf
y
KU
00
где
1/2f – верхняя частота среза.
вс экв
вых
1( ) 1( )
22
экв вс
ff
27
,
f
f
f
()
f
R
R
ut
вых
R
экв
1
0.707
21экв экв
()
Up
вх
С
вых
экв
1вс
2вс
()
Up
1экв
а б
Рис. 5.5. Фильтр нижних частот:
а схема; б АЧХ
Что нужно делать для расширения полосы пропускания каскада в
сторону верхних частот (т. е. для увеличения
взгляд, прост. Необходимо уменьшать постоянную времени
)? Ответ, на первый
вс
экв
(рис. 5.5, б). Но как это сделать и какие при этом возникают пробле-
С
мы? Сделать это можно, уменьшая емкость нагрузки
лее высокочастотный транзистор (это приведет к уменьшению
и τ) и уменьшая сопротивление
. Последний путь наиболее реаль-
экв
, выбирая бо-
н
С
вых
ный. Но уменьшение этого сопротивления приведет к уменьшению
коэффициента передачи
g
где
– проводимость прямой передачи (крутизна) транзистора.
21
K в области средних частот, так как
0
KgR
,
021экв
Таким образом, стремясь расширить полосу пропускания в сторону
верхних частот, мы ухудшаем усилительные свойства каскада. Это
проблема любого широкополосного усилителя, а не только резисторного каскада.
Поведение резисторного каскада в области верхних частот можно
объяснить и не прибегая к формулам. Действительно, чтобы увеличить
коэффициент передачи
фильтра (частотно-зависимого делителя
напряжения) (рис. 5.5, а) на заданной частоте (расширить полосу),
необходимо уменьшить сопротивление
1/ C , т. е. уменьшить емкость
ние
экв
и увеличить сопротивле-
экв
С . Дальнейшие рассуждения
экв
аналогичны предыдущим.
Если на вход каскада подать напряжение в виде ступеньки, то ПХ
фильтра на рис. 5.5, а примет вид, показанный на рис. 5.4, б. Скорость
28
нарастания выходного напряжения (время установления у)t будет за-
р
р
р
р
р
р
р
р
р
R
R
р
висеть от постоянной времени
. Чем меньше эта постоянная, тем
экв
быстрее будет нарастать выходное напряжение (быстрее заряжаться
емкость
С ), т. е. тем меньше будет время установления.
экв
Таким образом, для улучшения формы ПХ в области малых времен
(для уменьшения времени установления) необходимо принимать те же
самые меры, что и для расширения полосы пропускания в сторону
верхних частот.
На поведение АЧХ в области нижних частот влияют разделительные конденсаторы
ра
С . Если эти конденсаторы вносят небольшие искажения, то их
э
С и
1
С , а также конденсатор в цепи эмитте-
2
влияние на АЧХ можно рассматривать независимо друг от друга, т. е.
изучая влияние одного конденсатора, другие полагать равными бесконечности. Перемножая или складывая полученные АЧХ, можно построить результирующую АЧХ в области нижних частот. Сложение
АЧХ производится в том случае, если по
оси ординат откладывается
усиление в децибелах.
Физика влияния разделительных конденсаторов
идентична. Поэтому для примера возьмем конденсатор
его как
С , тем более что емкость именно этого конденсатора изменя-
С и
С на АЧХ
1
2
С , обозначив
2
ется в ходе лабораторной работы. Если положить, что
СС , то
р1 э
резисторный каскад в области нижних частот будет вести себя, как RCфильтр верхних частот первого порядка (рис. 5.6). Ток через нагрузку
(а значит, и напряжение на нагрузке)
()
Up
()
Ip
вх
RR
кн
1
С
не будет зависеть от частоты (что приведет к расширению полосы
пропускания каскада в сторону нижних частот), если будет выполнять-
ся неравенство
кн р
быть высокоомными, а конденсатор
1/RR
С , т. е. резисторы
С должен иметь большую
и
к
должны
н
емкость.
29
()
f
f
р
R
R
Up
вх
()Ip
R
к
С
р
R
н
()
Up
вых
Рис. 5.6. Фильтр верхних частот
Другими словами можно сказать: чем больше постоянная времени
()CR R , тем шире полоса пропускания каскада в сторону
ppкн
нижних частот (рис. 5.7).
y
1
0,707
р2 р1
0
нс2
Рис. 5.7. Семейство АЧХ резисторного каскада в области
нижних частот при
нс1
СС
р1 э
р1
f
Если на вход такого фильтра подать ступенчатое напряжение амплитудой
С будет отсутствовать (оно не может измениться скачком). По-
сти
этому напряжение на нагрузке
U , то в первоначальный момент напряжение на емко-
вх m
будет определяться только коэффи-
н
циентом передачи резистивного делителя напряжения:
R
н
uU
(0)
вых вх
m
кн
30
.
R
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]