3. Теоретические сведения и методические указания к выполнению лабораторных работ

Лабораторные работы должны выполняться бригадами, состоящими из двух-трех студентов, в присутствии преподавателя или инженера. Выполнение работ студентами в индивидуальном порядке допускается в исключительных случаях после дополнительного инструктажа по технике безопасности.

Порядок очередности выполнения лабораторных работ определяется преподавателем с учетом специфики специальности и доводится до студентов на первом лабораторном занятии. Таким образом, студенты всегда знают наименование работы, к которой им следует готовиться.

Подготовка к выполнению лабораторной работы заключается в самостоятельном изучении теоретического материала по данному разделу учебной программы, просмотре конспекта лекции, если соответствующие лекции уже прочитаны, ознакомлении со структурой и особенностями лабораторного стенда, с методикой выполнения работы, с исследуемой схемой и в повторении правил техники безопасности.

Допуск к выполнению лабораторной работы предполагает проверку готовности студентов к проведению исследований. Критериями готовности служат знание структуры стенда, методики проведения измерений, правил техники безопасности и умение пользоваться контрольно-измерительной аппаратурой. В случае недопуска студентов к выполнению работы им рекомендуются дополнительная подготовка и выполнение работы во внеурочное время, согласованное с преподавателем или инженером.

В процессе выполнения очередной работы студенты обязаны тщательно соблюдать указания и рекомендации, предусмотренные методиками, фиксировать условия и результаты проведения измерений, занося их, например, в соответствующие таблицы. Окончательное оформление результатов, подведение итогов и формулировка выводов проводятся самостоятельно. При этом необходимо сравнить результаты экспериментов с теоретическими положениями, а также найти ответы на все контрольные вопросы.

Финальной стадией выполнения работы является защита полученных результатов и сделанных выводов. Защита осуществляется на основании подготовленного студентами отчета и оценивается по системе, принятой преподавателем и доведенной до студентов.

3.1. Исследование транзисторного генераторас внешним возбуждением с простой схемой выхода(Лабораторная работа №1)

Цель работы: изучить принципы построения и работы транзисторного усилителя мощности; исследовать влияние режимов работы активного элемента на показатели ГВВ; исследовать нагрузочные и модуляционные характеристики усилителя мощности с простой НКС.

Основные теоретические сведения

Генератором с внешним возбуждением (ГВВ) называется устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока, потребляемой от источника питания, в энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, равной или кратной частоте входного воздействия. Если частота выходного сигнала равна частоте входного воздействия, то ГВВ представляет собой усилитель мощности (УМ). Если же частота выходного сигнала в целое число раз больше частоты входного, то речь идет об умножителе частоты (УЧ).

Умножение частоты возможно благодаря присутствию высших гармоник в выходном токе активного элемента (АЭ) при его работе в нелинейном режиме. УЧ предназначены для преобразования колебаний с частотой ₀ в колебания кратной частоты nω₀, где п – любое натуральное число. Применение УЧ позволяет повысить стабильность частоты задающих генераторов, расширить диапазон рабочих частот или получить множество стабильных частот в синтезаторах частоты, увеличить индекс ЧМ, повысить устойчивость работы радиопередатчика.

Основным требованием, предъявляемым к ГВВ, является получение высокого коэффициента полезного действия (КПД) при обеспечении заданной мощности в нагрузке, что накладывает определенные ограничения на выбор режима работы АЭ и параметров нагрузочной колебательной системы (НКС).

НКС, или выходная цепь согласования (ЦС), обеспечивает трансформацию в заданном диапазоне частот комплексного в общем случае сопротивления внешней нагрузки (сопротивления потребителя) в чисто резистивное сопротивление нагрузки АЭ, обеспечивающее высокие энергетические показатели ГВВ. Так как для получения высокого КПД генератора АЭ должен работать в нелинейном режиме, при котором в выходном токе АЭ содержатся высшие гармоники, то согласующая цепь должна также обеспечивать подавление высших гармоник, т.е. осуществлять фильтрацию.

Одной из простейших согласующих цепей является параллельный колебательный контур с достаточно высокой добротностью, включенный в цепь выходного электрода АЭ ГВВ. Контур обеспечивает не только согласование генератора с нагрузкой вблизи резонансной частоты, но и малое сопротивление для высших гармоник выходного тока, что обусловливает их подавление и получение гармонической формы напряжения на контуре. Эквивалентное сопротивление настроенного в резонанс контура носит резистивный характер и может быть представлено выражением

R_ЭК=р²ρ²/(r_К+r_ВН), (1)

где р=U_Н/U_КОНТ=С_К/C_СВ1 – коэффициент включения контура в выходную цепь АЭ ГВВ; ρ=2πfL_К=1/(2πfC_К)=(L_К/C_К)^1/2 – характеристическое сопротивление контура; C_К и L_К – полные индуктивность и емкость контура; r_К – собственное сопротивление потерь контура; r_ВН – сопротивление, вносимое внешней нагрузкой.

При гармоническом напряжении возбуждения выходной (анодный или коллекторный) ток АЭ, работающего в нелинейном режиме, т.е. с отсечкой тока, имеет форму периодической последовательности импульсов, которая может быть представлена рядом Фурье:

i_ВЫХ(t)=I_ВЫХ0+I_ВЫХ1cos(ωt)+I_ВЫХ2cos(2ωt)+...+I_ВЫХncos(nωt)+...

Значения I_ВЫХ0 и I_ВЫХn можно определить через нормированные коэффициенты разложения _n или _n по формулам

I_ВЫХn=SU_ВХn(), n=0, 1, 2…;

I_ВЫХn=i_ВЫХmaxn(), n=0, 1, 2…, (2)

где i_ВЫХmax=SU_ВХ(1-cos) – высота импульсов выходного тока; S – крутизна проходной статической ВАХ АЭ; U_ВХ – амплитуда напряжения внешнего возбуждения. Примечательно, что коэффициенты _n и _n, являющиеся функциями лишь угла отсечки выходного тока θ, не зависят от сопротивления нагрузки и напряжения питания. Выражение для угла отсечки имеет вид

=arcсos((E_ОТС-Е_СМ)/U_ВХ), (3)

где Е_ОТС – напряжение отсечки выходного тока АЭ; Е_СМ – напряжение смещения, определяющее положение рабочей точки АЭ в состоянии покоя.

Полезная мощность, выделяемая на контуре n-й рабочей гармоникой выходного тока, и мощность, потребляемая от источника питания, рассчитываются по формулам

P_n=0,5I_ВЫХnU_Н, P₀=Е_ПI_ВЫХ0.

Тогда электронный КПД генератора, позволяющий оценить эффективность режима работы АЭ, определяется выражением

η_Э=P_n/P₀=0,5(I_ВЫХn/I_ВЫХ0)(U_Н/E_П)=0,5g_n(θ)ξ, (4)

где g_n(θ)=_n(θ)/₀(θ) – коэффициент формы выходного тока по произвольной n-й гармонике; ξ=U_Н/E_П – коэффициент использования питающего напряжения.

Выражение (4) показывает, что для повышения КПД целесообразно работать при высоких значениях ξ, а угол отсечки θ должен быть достаточно мал для получения высокого значения g_n(θ). Максимальное значение КПД достигается при углах отсечки, близких к нулю, однако при этом резко снижается выходная мощность за счет стремления _n(θ) к нулю. Поэтому на практике, например, в схемах УМ угол отсечки выбирают в интервале 75°<θ<100°. В ряде случаев, например, при усилении амплитудно-модулированных колебаний или при умножении частоты, при выборе θ необходимо учитывать дополнительные требования.

В зависимости от степени влияния выходного напряжения АЭ на величину и форму импульсов выходного тока различают три режима работы: недонапряженный, граничный (критический) и перенапряженный. Характер режима работы АЭ по напряженности зависит от совокупности четырех параметров: напряжения питания Е_П, напряжения смещения Е_СМ, амплитуды напряжения возбуждения U_ВХ и сопротивления нагрузки АЭ R_Н (при использовании одноконтурной НКС R_Н=p_К²R_ЭК). Изменяя тот или иной параметр при постоянстве остальных трех параметров, можно получить частные зависимости токов, напряжений, мощностей и показателей качества ГВВ и определить зависимость режима по напряженности от каждого из параметров в отдельности.

Зависимости I_ВЫХ0, I_ВЫХ1, U_Н, Р₁, P₀, Р_РАС и η от R_Н носят название нагрузочных характеристик ГВВ (здесь и далее Р_РАС=P₀-Р₁ – мощность, рассеиваемая на выходном электроде АЭ). При низких значениях R_Н (R_Н<R_Нкр), которым на рис. 9 на выходной ВАХ АЭ i_ВЫХ(u_ВЫХ) соответствуют нагрузочные линии 1 и 2, амплитуда переменного напряжения U_Н=I_ВЫХ1R_Н мала. При этом остаточное напряжение u_ВЫХmin=Е_П-U_Н велико и больше выходного напряжения насыщения АЭ, импульс коллекторного тока имеет форму усеченной снизу косинусоиды (кривые 1 и 2 на диаграмме i_ВЫХ(t) на рис. 9), а его амплитуда уменьшается с ростом R_Н незначительно вследствие малого значения обратной проницаемости АЭ. В недонапряженном режиме АЭ можно приближенно представить в виде генератора тока I_ВЫХ1≈I_ВЫХ1кр, и, следовательно, по мере роста R_Н от 0 до R_Нкр напряжение U_Н, ξ и полезная мощность будут возрастать.

Рис. 9. Зависимость выходного тока АЭ от сопротивления нагрузки

При критическом значении сопротивления R_Н=R_Нкр (нагрузочная линия 3 на рис. 9) остаточное выходное напряжение u_ВЫХmin уменьшается до величины напряжения насыщения u_{ВЫХ.НАС} и вызывает начальное уплощение вершины импульса выходного тока вследствие возрастания входного тока. В граничном режиме коэффициент использования коллекторного напряжения определяется по формуле

ξ_ГР=1–i_ВЫХmах/(S_ГРE_П)≈1–2P₁/(S_ГР1(θ)E_П²), (5)

где S_ГР – крутизна линии граничного режима (линия 5 на рис. 9).

Для современных мощных высокочастотных транзисторов среднее значение ξ_ГР=0,85...0,95, и, следовательно, КПД ГВВ, работающего при углах отсечки 75°<θ<100°, достигает 0,75...0,85. Высокое значение ξ_ГР обусловливает и высокое значение полезной мощности Р₁, максимум кото­рой достигается в режиме, близком к граничному.

При дальнейшем увеличении R_Н (R_Н>R_Нкр, линия 4 на рис.9) наступает перенапряженный режим. В этом режиме за счет некоторого роста U_Н и уменьшения остаточного напряжения до u_ВЫХmin<u_{ВЫХ.НАС} происходит перераспределение токов в АЭ, резко возрастает ток выходного электрода (в биполярном транзисторе – ток базы) и появляется провал в импульсе коллекторного тока (кривая 4 на рис. 9).

В перенапряженном режиме из-за искажения формы импульса выходного тока с ростом R_Н происходит уменьшение постоянной составляющей I_ВЫХ0 и более резкое уменьшение I_ВЫХ1, что при незначительном возрастании напряжения U_Н приводит к уменьшению полезной мощности P₁, хотя КПД при этом остается высоким и уменьшается лишь при переходе в сильноперенапряженный режим (ξ_ЭКВ> 1).

Таким образом, в граничном режиме УМ отдает максимальную мощность в нагрузку при высоком КПД. В перенапряженном режиме напряжение U_Н изменяется мало, полезная мощность Р₁ снижается, но КПД остается высоким. Недонапряженный режим энергетически не выгоден, так как ГВВ отдает малую полезную мощность при низком КПД, и, следовательно, мощность, рассеиваемая на выходном электроде АЭ (например, на коллекторе транзистора), достаточно велика.

Изменение напряженности режима генератора происходит не только при изменении связи колебательного контура с выходным электродом АЭ, но и при его расстройке по частоте, когда сопротивление Z_ЭК носит комплексный характер и его модуль уменьшается с увеличением расстройки =_ВХ-_КОНТ, как показано на рис. 10.

Рис. 10. АЧХ и ФЧХ параллельного колебательного контура

Следовательно, расстройка Δω контура, т. е. выполнение условия Δω≠0, приводит к переходу в режим с меньшей напряженностью. Динамическая характеристика АЭ i_ВЫХ(u_ВЫХ) при расстройке контура имеет вид отрезка эллипса, а не отрезка прямой, как при чисто резистивной нагрузке. Зависимости I_ВЫХ0, I_ВЫХ1, U_Н, Р₁, P₀, Р_РАС и η от Δω носят название настроечных характеристик ГВВ.

В радиопередающих устройствах одноконтурная схема выходной цепи УМ (простая схема выхода) находит ограниченное применение (в основном, в простых маломощных устройствах) ввиду низких селективных свойств и сложности настройки: для изменения рабочей частоты или сопротивления нагрузки генератора нужно одновременно перестраивать и элемент связи Х_СВ, и элемент настройки Х_Н.

Литература для самостоятельной подготовки: [1; 2, гл. 1.1-1.6, 2.1, 2.2, 3.1; 3; 4, гл. 2.1-2.9, 2.12-2.14, 2.16, 2.20, 3.1-3.3, 3.5, 3.9; 6; 7(5), гл. 1-5, 8].