Rttsis_lr_chast_2

11

источник напряжения питания. В схеме, приведенной на рис. 1, напряжение смещения формируется делителем напряжения, образованным резисторами R1 и R2 . С точки зрения теории цепей такой делитель образует эквивалентный источник э.д.с. (рис. 6)

Рис. 6. Схема замещения цепи подачи смещения

При практическом определении параметров цепи смещения можно принять, что для стабильности работы ток, протекающий через резистор должен в несколько раз превышать ток базы транзистора в стационарном режиме. Тогда:

Значение n можно выбрать в диапазоне 5 10 . В реальной схеме расчетные значения резисторов округляются до ближайших подходящих стандартных, в результате чего выбранная рабочая точка реализуется приблизительно.

С учетом источника входного сигнала схема замещения входной цепи каскада

(рис. 1) может быть изображена в виде, приведенном на рис. 7.

Рис. 7. Схема замещения входной цепи вместе с источником сигнала

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

12

1.2.2. Работа усилителя в режиме большого сигнала

При высоком уровне входного сигнала в усилителе возникают условия для возникновения нелинейных искажений. Величина искажений зависит как от амплитуды входного сигнала (будем считать его гармоническим), так и от ряда параметров,

характеризующих усилительный каскад – напряжения смещения, величины эквивалентного сопротивления нагрузки, напряжения питания и, наконец, типа и характеристик активного элемента (транзистора).

Из рис. 5 видно, что передаточные характеристики усилителя имеют, в целом,

нелинейный вид и для отсутствия нелинейных искажений сигнала необходимо, чтобы диапазон изменения значений входного напряжения целиком укладывался в границы рабочего участка. Для этого, во-первых, значение напряжения смещения должно быть выбрано в пределах этих границ (лучше всего, примерно в центре) и, во-вторых,

амплитуда входного сигнала не должна превышать модуля разности между напряжением смещения и ближайшей к нему границей линейного рабочего участка.

При невыполнении этих условий в процессе работы усилительного каскада транзистор будет периодически попадать в зоны насышения и/или отсечки, что приведет к появлению нелинейных искажений.

Величина сопротивления нагрузки и напряжения питания задают положение нагрузочной прямой на выходных характеристиках транзистора (рис. 4) и,

соответственно, влияют на саму форму характеристик передачи тока и напряжения. При изменении этих величин будет изменяться размер и положение рабочего участка входных напряжений (продумайте, как именно), что может повлечь за собой увеличение или уменьшение нелинейных искажений.

1.2.3. Преобразование спектра гармонического сигнала усилительным

каскадом в нелинейном режиме

Предположим, что входное напряжение усилительного каскада представляет собой сумму гармонического сигнального напряжения амплитудой U mвх и постоянного

напряжения смещения U0вх

uвх t = U0вх Umвх cos t

или

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

13

uвх = U0вх Umвх cos ,

где для полной фазы сигнала введено обозначение = t .

Выходное напряжение, как функцию полной фазы входного сигнала , можно

представить выражением

uвых = f ХПН uвх = f ХПН U0вх Umвх cos ,

где f ХПН (.) – функция, определяющая вид характеристики передачи напряжения усилительным каскадом.

Понятно, что выходное напряжение uвых ( ) , в общем случае, будет функцией негармонической, поскольку f ХПН . – нелинейна, но периодической. Кроме того, uвх – четная функция, поскольку, uвых = uвых . Четная периодическая функция может быть представлена рядом Фурье по косинусам, следовательно можно записать

uвых = U0вых Umвыхn cos n , n=1

или, переходя к временным зависимостям,

uвых t = U0вых Umвыхn (3) n=1

Таким образом, при нелинейном преобразовании гармонического сигнала в выходном сигналы появляются дополнительные составляющие на частотах, кратных частоте гармонического сигнала на входе преобразователя. В усилителе, работающем в нелинейном режиме, именно эти составляющие и определяют наблюдаемое искажение сигнала.

1.2.4. Количественная мера нелинейных искажений

Поскольку появление нелинейных искажений проявляется в виде дополнительных гармонических составляющих, отсутствующих во входном сигнале, достаточно естественным представляется связать количественную меру нелинейных искажений с

их суммарной мощностью или, что эквивалентно, со среднеквадратическим

(действующим) напряжением суммы этих гармоник. На основании этого вводится часто используемый на практике показатель – коэффициент гармоник (гармонических искажений).

Коэффициент гармоник – коэффициент, характеризующий отличие формы

данного периодического сигнала от гармонической, равный отношению

Оглавление Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

14

среднеквадратического напряжения суммы всех гармоник сигнала, кроме первой, к

среднеквадратическому напряжению первой гармоники (ГОСТ 16465-70)

Формально, число добавочных гармоник, полученных в результате нелинейного преобразования, может быть бесконечным, однако на практике всегда (подумайте,

почему) можно ограничиться некоторым конечным их числом N.

Нетрудно видеть, что в случае, когда доступно представление сигнала в виде (3),

коэффициент гармоник можно посчитать, используя вместо действующих значений напряжений Un их амплитуды Umn , поскольку Umn 2 Un . Также легко понять, что в случае, когда напряжения Un замеряются на участке цепи с чисто активным сопротивлением (резисторе), вместо амплитуд или действующих значений гармонических составляющих напряжения можно взять соответствующие амплитуды или действующие значения протекающих через этот резистор составляющих тока.

Спектральный состав сигнала на выходе нелинейного преобразователя

(усилителя) может быть определен как экспериментальным – при помощи прибора-

анализатора спектра, так и расчетным путем, если известна характеристика этого преобразователя [1, 2]. В случае достаточно гладкой характеристики амплитуды гармонических составляющих выходного сигнала можно приближенно оценить при помощи так называемого метода пяти ординат, в основе которого лежит аппроксимация нелинейности степенной функцией. Использование этого метода иллюстрируется рис. 8.

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

15

Рис. 8. Получение данных для расчета по методу пяти ординат

Пусть нелинейный преобразователь (усилитель) имеет некоторую известную передаточную характеристику uвых f uвх и на него подается входной сигнал в виде

суммы гармонического напряжения с амплитудой U m и постоянного напряжения смещения U0 так, как изображено на рис. 8. На оси абсцисс, соответствующей

возможным значениям входного сигнала выбирается 5 равноотстоящих друг от друга точек, делящих диапазон изменения входного напряжения на 4 одинаковых по ширине

интервала, равных половине амплитуды U m : U0 Um , U0 12 Um , U0 , U0 12 Um и

U0 Um . Передаточная характеристика усилителя преобразует эти значения в соответствующие выходные напряжения – 5 ординат, которые обозначены на рисунке,

можно аппроксимировать полиномом 4-го порядка, можно получить следующие формулы для расчета амплитуд гармонических составляющих выходного сигнала

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

16

коэффициента гармоник и исследовать, как, например, на величину нелинейных искажений будут влиять амплитуда входного сигнала U m и выбор рабочей точки – напряжения смещения U0 .

1.3. Содержание работы

Ознакомление с теоретическим материалом, порядком выполнения и содержанием лабораторной работы. Определение статических характеристик заданного транзистора.

Построение и исследование характеристик передачи тока и напряжения усилительного каскада. Исследование причин возникновения искажений сигнала в транзисторном усилителе. Определение параметров усилителя, соответствующих наименьшим искажениям сигнала. Определение расчетного значения коэффициента гармоник и проверка результатов расчета экспериментом. Определение параметров цепи смещения,

обеспечивающих заданное положение рабочей точки.

1.4.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с краткими теоретическими сведениями по материалу предстоящей работы.

2.По таблице 1 определить исходные данные для работы (номер строки таблицы соответствует номеру по журналу). В исходные данные входят: тип транзистора,

напряжение питания и два значения сопротивлений коллекторного резистра.

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

17

3.Для указанного в таблице транзистора построить статические входные и выходные характеристики. Характеристики определяются «экспериментально» при помощи программы Microcap.

4.На полученных выходных характеристиках транзистора построить нагрузочные прямые, соответствующие двум значениям сопротивления коллекторного резистора RК ,

приведенным в таблице 1.

5. Используя графики входных и выходных характеристик транзистора с нанесенными на них нагрузочными прямыми определить вручную значения 4-5 точек зависимости UКЭ = f (UБЭ ) (характеристики передачи напряжения усилительного каскада, рис. 5б для одного из заданных значений сопротивления коллекторного резистора.

6. Реализовать в программе Microcap упрощенную схему усилительного каскада

(рис. 3) Получить графики характеристик передачи напряжения и тока для обоих значений сопротивления коллекторного резистора «экспериментально» при помощи анализа по постоянному току. Убедиться в соответствии рассчитанных вручную точек зависимости UКЭ = f (UБЭ ) кривой, полученной средствами программы Microcap.

а) определить диапазон значений напряжения смещения соответствующий рабочему (падающему) участку характеристики напряжения каскада UКЭ = f (UБЭ ) ;

б) определить (приблизительно) диапазон значений напряжения смещения, при котором в выходном сигнале отсутствуют видимые искажения формы при входном синусоидальном сигнале с амплитудами 0.3 Uсм раб и 0.1 Uсм раб

7. Качественно исследовать от каких параметров сигнала, схемы и режима ее работы зависит неискаженное воспроизведение сигнала на выходе усилительного каскада, для чего по характеристике передачи напряжения

Используя режим анализа переходных процессов программы Microcap построить временные зависимости входного и выходного напряжений усилительного каскада при различных значениях напряжения смещения, приводящих как к отсутствию, так и к наличию искажений в передаче формы сигнала.

Выполнить данный пункт для обоих значений сопротивления коллекторного резистора.

8. Провести количественное исследование величины нелинейных искажений,

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

18

выполнив следующие действия:

а) выбрать параметры входного сигнала – амплитуду U m и напряжение смещения

U0 таким образом, чтобы диапазон изменения входного сигнала частично выходил за

границы линейного участка в сторону зоны насыщения;

б) по графику характеристики передачи напряжения для данной пары Um , U0

ординат, приведенным в теоретическом разделе;

в) по формулам (5) провести расчет амплитуд гармонических составляющих выходного напряжения, а также получить расчетное значение коэффициента гармоник в соответствии с (4);

г) в программе Microcap, использую упрощенную схему усилительного каскада, с

параметрами, соответствующими использованной в расчете характеристики передачи напряжения, подать на нее входной сигнал с выбранными значениями амплитуды U m и

напряжения смещения U0 , пронаблюдать и зафиксировать временные зависимости входного и выходного напряжений;

д) построить спектрограммы входного и выходного напряжений усилителя,

пронаблюдать появление в выходном спектре дополнительных гармонических составляющих на кратных частотах, вызванных нелинейными искажениями сигнала в усилителе;

е) замерить величины амплитуд спектральных составляющих выходного напряжения и сравнить результаты данного эксперимента с расчетными значениями,

рассчитать величину коэффициента гармоник в соответствии с экспериментальными данными, провести сравнение с результатом расчетов.

9. Выбрать рабочую точку транзистора, соответствующую середине рабочего участка на характеристике передачи напряжения UКЭ = f (UБЭ ) . Рассчитать величины резисторов цепи смещения R1 и R2 , обеспечивающих выбранное положение рабочей точки. Реализовать в программе Microcap полную схему усилительного каскада (рис. 1),

промоделировать ее работу в режиме анализа переходных процессов, сравнить полученные результаты с результатами пункта 7.

10. Ответить на контрольные вопросы.

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

19

1.5. Указания по выполнению работы

Построение статических входных и выходных характеристик транзистора

(пункт 3) производится в программе Microcap в режиме анализа по постоянному току

(DC-анализ, диалог настройки вызывается путем нажатия сочетания клавиш Alt-3). В

программе реализуется соответствующая схема и задается анализ с перебором последовательности значений для двух выбранных переменных – источников напряжения или тока и напряжения, в зависимости от того, семейство каких характеристик строится (в диалоге установки параметров анализа). Соответствующие действия иллюстрируются рис. 9.

Рис. 9. Построение семейства входных характеристик транзистора

Для получения характеристик необходимо правильно задать диапазоны изменения исходя из того, что каждая кривая при изменении первой переменной при постоянном значении второй. Поэтому, например, для получения семейства входных характеристик,

каждая из которых представляет собой зависимость тока базы от напряжения база-

эмиттер при постоянном напряжении на коллекторе необходимо в качестве первой переменной выбрать источник напряжения в цепи базы (в данном случае V2), а в

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»

20

качестве второй – источник напряжения на коллекторе (в данном случае V1). Сами диапазоны нужно задавать обдуманно, исходя из возможных реальных значений соответствующих величин. При построении входных характеристик следует правильно задать масштаб по оси Y, при автоматическом выборе масштаба график может стать совершенно неузнаваемым.

Для построения нагрузочных прямых на семействе выходных характеристик

(рис. 10) может быть использована соответствующая возможность программы Microcap

– построение на графике различных геометрических фигур. При построении может оказаться, что выходные характеристики были построены неудачно – нагрузочная прямая, соответствующая заданному значению сопротивления резистора проходит слишком низко, что не дает возможность определить достаточное количество точек для построения характеристики передачи напряжения каскада. В этом случае следует выходные характеристики построить заново, скорректировав соответствующие диапазоны изменения величин и масштабы графиков.

Рис. 10. Построение семейства выходных характеристик транзистора

Оглавление

Микаэльян С.В. Нелинейные преобразования в радиотехнических цепях. Методические указания к

лабораторным работам по дисциплине «Радиотехнические цепи и сигналы»