Лабораторная работа №3. Исследование прохождения сложных сигналов через линейный апериодический усилитель.

_{ЕсмUm,вхIк0Im,к,1Im,к,2Im,к,3Uкэ0Um,кэ,1Um,кэ,2Um,кэ,3K1 КНИКПД1234567891011121314180120Таблица 6.3. f=fp/3ЕсмUm,вхIк0Im,к,1Im,к,2Im,к,3Uкэ0Um,кэ,1Um,кэ,2Um,кэ,3K1 1234567891018012090} Сопротивление базы при f=500 кГц Выходная проводимость h_22,Б Емкость коллектора Ск не более 60 пФ.Предельная частота усиленияКоэффициент усиления тока базы Транзистор германиевый p-n-p.i_б, mA

4. Повторить эксперимент для остальных углов отсечки, устанавливая соответствующие для них смещение и амплитуду сигнала на входе.

5. Построить спектры входного и выходного напряжений. Рассчитать КПД.

6. Для углов отсечки 180^о и 90^о при соответствующих рабочих точках снять и построить амплитудные характеристики в виде .

7. Оформить отчет

8. Отчет должен содержать схемы экспериментов, значения параметров элементов схемы и сигналов, таблиц для построения графиков, сравнения теоретических и экспериментальных результатов, выводы.

10. Контрольные вопросы.

1. Виды аппроксимации ДПХ транзистора. Режимы работы транзистора.

2. Дать определение угла отсечки тока коллектора.

3. Вывести формулу для мгновенного значения тока коллектора как функции угла отсечки, напряжения смещения и амплитуды входного сигнала.

4. Спектр коллекторного тока в нелинейном режиме работы транзистора.

5. Как определяется коэффициент нелинейных искажений?

6. Зависимость КПД и коэффициента передачи усилителя мощности от угла отсечки. Оптимальный режим усилителя мощности.

7. Объяснить различия в поведении амплитудных характеристик при разных углах отсечки.

8. Лабораторная работа №6

Резонансный каскад в нелинейном режиме ( усилитель мощности и умножитель частоты).

Цель работы: исследование избирательных свойств резонансного усилительного каскада в усилителях мощности высокой частоты и умножителях несущей частоты радиосигналов.

6.1. Предварительные расчеты.

1. Используя материалы предварительной подготовки к работе №5, для тех же углов отсечки рассчитать и записать в столбцы 8-14 значения соответствующих величин при использовании резонансной нагрузки и считая частоту гармонического сигнала на входе: f=f_p, f=f_p/2, f=f_p/3 для углов отсечки тока 90^о, 60^о, 40^о. Считать Ом, добротность Q=5.

2. Таблица 6.1. f=f_p

не более 220 Ом

0.0

при f=500 кГц не более 3,3 мкСм

0.1

0,2

тока 1 МГц.

0,3

при t^o=20⁰- 50…100.

0,4

0,5 0,5 00,5

2.5

_{, В , мА10906040ЕсмUm,вхIк0Im,к,1Im,к,2Im,к,3Uкэ0Um,кэ,1Um,кэ,2Um,кэ,3K1 КНИКПД1234567891011121314180120906040КНИКПД1234567891011121314180120906040Таблица 6.2. f=fp/2} Е_смU_m,вхI_к0I_m,к,1I_m,к,2I_m,к,3U_кэ0U_m,кэ,1U_m,кэ,2U_m,кэ,3K₁ КНИКПД1234567891011121314180120906040 0 1 2 3 4 56 –U_кэ, В 0,10,20250,350,4I_Б=0,5 мА050100150200250300-U_бэ,mВ

Построить примерные графики u_бэ(t) и, u_вых(t) при резонансной нагрузке для заданных углов отсечки.

6.2. Эксперимент.

Оборудование: то же, что и в предыдущей работе.

1. Макет подключить к источникам питания. Переключатель П1 – в положение нагрузки R_к. Рабочую точку установить в области отсечки тока.

2. К одному из входов макета подключить генератор Г4-102А от гнезда « » с частотой порядка 100 кГц. Установить амплитуду для обеспечения работы транзистора с отсечкой 90⁰. Проверить по осциллографу.

3. Включить колебательный контур. Настроить частоту генератора в резонанс с частотой контура. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений. Определить коэффициент усиления каскада в нелинейном режиме работы.

4. Изменяя частоту входного сигнала от 0.2f_p до 2f_p, снять и построить АЧХ каскада, обращая особое внимание на области частот, близкие к f_p/2, f_p/3 и f_p.

5. Установить частоту генератора, равную f_p/2. Регулируя напряжение смещения и амплитуду входного сигнала, добиться наилучшей картины режима удвоения частоты. Зарисовать осциллограммы входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока (включив в качестве нагрузки Rк). Определить коэффициент передачи в режиме удвоения частоты.

6. Повторить п.2.5 для режима утроения частоты.

7. Подать на вход АМ колебания с коэффициентом глубины модуляции 0,5…0,8. для этого либо включить режим «Внутр. АМ» генератора Г4-102А, либо промодулировать этот генератор внешним сигналом с Г6-46, подав его сигнал в гнездо «Внешн.АМ». Зарисовать осциллограммы входного АМ-сигнала, напряжения на выходе контура (гнездо «вых2») и при подключении Rк на частотах несущей f_p , f_p/2, f_p/3 .

8. Включить колебательный контур. Настроить частоту генератора в резонанс с частотой контура. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений. Записать значения амплитуд. Определить коэффициент усиления каскада в нелинейном режиме работы.

9. Снять и построить график амплитудной характеристики . Отметить линейный участок и диапазоны амплитуд на входе и выходе, соответствующие этому участку.

10. Установить частоту генератора, равную f_p/2. Регулируя напряжение смещения и амплитуду входного сигнала, добиться наилучшей картины режима удвоения частоты. Зарисовать осциллограммы входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока (включив в качестве нагрузки R_к). Записать значения амплитуд.

11. Определить коэффициент передачи в режиме удвоения частоты. Повторить п.2.5 для режима утроения частоты.

3. Оформить отчет.

4. Отчет должен содержать схемы экспериментов, значения параметров элементов схемы и сигналов, таблиц для построения графиков, сравнения теоретических и экспериментальных результатов, выводы.

7. Контрольные вопросы.

1. Зависимость КПД и коэффициента передачи усилителя мощности от угла отсечки. Оптимальный режим усилителя мощности.

2. Назначение колебательного контура в усилителе мощности и умножителе частоты.

3. Оптимальный режим работы умножителя частоты. Коэффициент передачи.

4. Режим работы транзистора при усилении (или умножении частоты) амплитудно-модулированных колебаний.

5. Нарисовать осциллограммы входного напряжения, коллекторного тока и напряжения на выходе схемы для различных соотношений частоты входного сигнала и резонансной частоты контура.

6. Как правильно выбрать угол отсечки в усилителе и умножителе частоты при АМ сигнале на входе?

7. Как правильно выбрать угол отсечки в усилителе и умножителе частоты при сигнале с УМ на входе?

1. Лабораторная работа №7

Получение амплитудно-модулированных колебаний в нелинейном резонансном каскаде на биполярном транзисторе.

Цель работы: исследование возможности получения АМ-колебаний на основе резонансного усилительного каскада с ОЭ.

7.1. Предварительная подготовка.

А. Модулятор на основе параметрического изменения крутизны.

А.1. По ДПХ, полученной в работе №5, построить статическую модуляционную характеристику в виде S(U_бэ), а затем в виде U_m,вых(U_бэ), если амплитуда несущих колебаний на входе модулятора U_m,0=5 мВ, а резонансное сопротивление равно 200 Ом. Выбрать режим работы транзистора: смещение Е_см и максимальную амплитуду модулирующего напряжения на базе транзистора . Определить максимально-возможный коэффициент глубины модуляции .

А.2. Построить осциллограммы и спектры входного напряжения, выходного тока и выходного напряжения, если несущая частота входного сигнала равна резонансной частоте, а частота модулирующего сигнала равна 5 кГц.

Б. Модулятор на основе отсечки тока.

Б.1. Используя кусочно-линейную аппроксимацию, построить статическую модуляционную характеристику, если амплитуда несущих колебаний на входе модулятора U_m,0=100 мВ, а постоянное напряжение на базе изменяется так, чтобы угол отсечки был бы близок к 90⁰. По СМХ определить режим работы транзистора: смещение и максимальное значение амплитуды модулирующего сигнала. Рассчитать максимально-возможный коэффициент глубины модуляции .

Б.2. Нарисовать осциллограммы и спектры входного напряжения, выходного тока и выходного напряжения.

7.2. Задание на эксперимент.

А.1Подключить макет к источникам питания. Нагрузка транзистора – колебательный контур. Установить на одном из входов макета несущие колебания с частотой, равной резонансной частоте контура, и амплитудой U_m,0 =5 …10 мВ.

А.2. Изменяя постоянное напряжение на базе (смещение), снять и построить СМХ в виде функции U_m,вых(U_бэ). Выделить на ней линейный участок, задать рабочую точку и определить максимальную амплитуду управляющего сигнала U_{m,нч,макс}, при которых модуляция будет происходить без нелинейных искажений. Рассчитать М_макс . Сравнить с расчетным значением.

А.3. Установить выбранный режим работы транзистора по постоянному току. Ко второму входу подключить генератор Г6-46. Установить его частоту F=5 Кгц. Амплитуду выбрать в соответствии с СМХ. Зарисовать осциллограммы входных и выходного сигналов, отметить значения амплитуд, рассчитать уровень глубины модуляции М.

А.3. Зарисовать спектрограммы напряжений на базе и коллекторе транзистора, а также напряжения при подключении вместо контура резистора R_к.

Б.1.-Б.4. Повторить п.п.А.1-4 для амплитуды несущей U_m,0 , примерно равной размаху линейного участка ДПХ (50 - 100 мВ). Сравнить полученные результаты.

7.3. Оформить отчет.

Контрольные вопросы.

1. Принцип действия амплитудного модулятора с параметрическим изменением крутизны.

2. Принцип действия «линейного модулятора».

3. Что называется статической модуляционной характеристикой? Как графически и экспериментально получить СМХ?

4. Как зависит глубина модуляции от амплитуды и частоты управляющего сигнала?

5. Как выбрать параметры колебательного контура для амплитудного модулятора?

6. Приведите временные диаграммы, иллюстрирующие получение АМ колебаний в экспериментальной схеме.

7. Почему режим работы транзистора в модуляторе должен быть существенно нелинейным.

8. Как влияет на АМ колебание увеличение напряжения смещения или низкочастотного сигнала?

9. Как влияет на АМ колебание увеличение частоты низкочастотного сигнала?

10. Как влияет на АМ колебание увеличение или уменьшение добротности контура?

14. Лабораторная работа №8

Детектирование амплитудно-модулированных колебаний.

Цель работы: Исследование работы амплитудного детектора, выполненного на транзисторном каскаде с общим эмиттером и фильтре низкой частоты в коллекторной цепи.

8. 1. Предварительные расчеты.

1. Для режима работы транзистора с углом отсечки 90⁰ построить статические детекторные характеристики (СДХ) в виде зависимостей и U_кэ,0(U_m,вх). Воспользоваться аппроксимацией ДПХ в работе №5.

2. Нарисовать примерные осциллограммы входного АМ сигнала, коллекторного тока и выходного напряжения, отметив на них соответствующие амплитуды.

3. Рассчитать коэффициент передачи детектора .

4. 2. Задание на эксперимент

5. Оборудование: универсальный макет, источник питания, генераторы звуковой и высокой частоты, цифровой вольтметр, осциллограф.

1. Включить в качестве нагрузки транзистора резистор R_к . Подключить макет к источникам питания. Установить напряжение смещения, соответствующее режиму работы с углом отсечки 90⁰. К входу подключить генератор Г4-102А в режиме гармонических немодулированных колебаний с несущей частотой 100 кГц. Записать значения напряжений смещения и амплитуды на входе каскада Е_см, .

2. Ключом П2 подключить емкость С_к к коллектору. Снять и построить статическую детекторную характеристику U_кэ,0(U_m,вх) . Заполнить таблицу 6.1, где : - постоянное напряжение на коллекторе, измеренное вольтметром постоянного тока, - постоянная составляющая коллекторного тока.

3. Таблица 6.1.

4. , мВ

3. Рассчитать коэффициент усиления , КПД и коэффициент нелинейных искажений ; записать эти значения в соответствующие столбцы таблицы.

4. По таблице 5.1 построить спектры входного напряжения, выходных тока и напряжения.

6. 5.2. Задание на эксперимент.

7. Оборудование: универсальный макет, генератор Г6-46, осциллограф, вольтметр.

1. Макет подключить к постоянному источнику Е_к= –6В и источнику постоянного регулируемого напряжения Е_б. Включить в качестве нагрузки резистор R_к.

2. Снять и построить ДПХ в виде . Провести кусочно-линейную аппроксимацию. Записать значения напряжений отсечки и насыщения.

3. Установить рабочую точку на середине линейного участка ДПХ.

4. Подать на один из входов макета усилителя от генератора Г-46 гармонические колебания с частотой 20…50 кГц и амплитудой, соответствующей режиму с углом отсечки 180^о. Зарисовать осциллограммы напряжений на базе и коллекторе транзистора, отметив на них амплитуды. Записать значения смещения , амплитуды входного и максимума выходного сигналов в столбцы 2,3,4 таблицы 5.2.

5. Вольтметром постоянного тока измерить величину постоянного напряжения на коллекторе . Рассчитать величину тока коллектора . Заполнить столбцы 5,6 таблицы.

6. Таблица 5.2.

8. град

3. Рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению.

4. Рассчитать верхнюю и нижнюю частоты каскада по заданным значениям С₁ и С_Б: , .

5. Построить графики АЧС последовательностей прямоугольных импульсов с частотами повторения 5, 10.0, 100 кГц. Для этих сигналов на входе усилителя нарисовать примерный вид выходного сигнала.

7. 3.2. Задание на эксперимент.

1. На макете тумблер П₁ включить налево к резистору R_к, а тумблер П₂ направо, отключив тем самым емкость С_к от коллектора. Подключить соответствующие провода макета к источникам питания Е_К=- 6 В (неизменяемое напряжение) и Е_Б ( изменяемое напряжение).

2. Снять и построить графики ДПХ в виде U_КЭ(U_БЭ) и I_K(U_БЭ). Выбрать рабочую точку и максимальную амплитуду напряжения на базе транзистора. Определить крутизну S и коэффициент усиления по напряжению как . Сравнить с расчетным, полученным при предварительной подготовке.

3. Установить выбранную рабочую точку. Подать на один из входов каскада гармонический сигнал от генератора Г4-46 с частотой 20…50 кГц. По осциллограммам убедиться в том, что транзистор работает в линейном режиме. Рассчитать коэффициент усиления. Снять и построить график АЧХ каскада. Определить граничные частоты. Сравнить с расчетными. Объяснить различия.

4. Подать на вход усилителя сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой F_П=500 Гц. Зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов с указанием соответствующих амплитуд. Повторить эксперимент для F_П=5, 100, 500 кГц. Объяснить полученные результаты с помощью частотного метода.

5. Повторить п.2.4 для сигналов в виде последовательности треугольных импульсов.

7. 3.3. Оформить отчет.

8. Отчет должен содержать схемы экспериментов, значения параметров элементов схемы и сигналов, таблиц для построения графиков, сравнения теоретических и экспериментальных результатов, выводы.

9. Контрольные вопросы.

1. По каким признакам классифицируют усилители?

2. Представьте схему УНЧ на транзисторе с ОЭ. Объясните назначение основных элементов.

3. От чего зависит вид АЧХ усилителя. Способы расширения полосы пропускания?

4. Как выглядит переходная характеристика УНЧ?

5. Почему «заваливаются» фронты прямоугольных импульсов на выходе УНЧ?

6. Почему спадает «полочка» прямоугольных импульсов на выходе УНЧ?

7. Как определить граничные частоты УНЧ?

8. Какова должна быть связь граничных частот с параметрами усиливаемых прямоугольных импульсов для усиления с минимальными частотными искажениями?

9. Как выбрать режим работы транзистора с минимальными нелинейными искажениями? Как количественно оценить нелинейные искажения усилителя?

12. Лабораторная работа №4. Исследование работы усилительного каскада с общим эмиттером в режиме линейного усиления при резонансной нагрузке.

Цель работы: Исследование частотных свойств резонансного усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ в линейном режиме и использование частотного метода анализа для объяснения линейных искажений сигнала усилителем при прохождении сложных периодических

сигналов.

4.1.Предварительные расчеты.

1. Нарисовать принципиальною схему резонансного усилительного каскада с частичным подключением контура к транзистору. Записать значения основных элементов схемы. Считать коэффициент частичного включения контура n=0,5.

2. На статических выходных ВАХ транзистора построить линию нагрузки по постоянному току, считая сопротивление потерь катушки r_К=40 Ом, Е_К=-6В. Рабочую точку и амплитуду входного сигнала выбрать там же, что и в работе №3.

3. Построить эквивалентную схему каскада. Рассчитать резонансное сопротивление , где - добротность контура, - характеристическое сопротивление, вносимые в контур потери транзистором. Рассчитать коэффициент усиления на резонансной частоте и полосу пропускания .

4. Привести примерные графики осциллограмм на выходе усилителя, если на вход подать последовательность прямоугольных импульсов типа «меандр» с частотами повторения

6. 4.2.Задание на эксперимент.

1. Включить в качестве нагрузки транзистора резистор R_к. Напряжение питания Е_к установить равным –6 В. Изменяя напряжения питания Е_б, установить рабочую точку, соответствующую усилению в линейном режиме.

2. Подать на вход от генератора Г6-46 гармонический сигнал частотой 20…50 кГц с амплитудой несколько меньшей. Убедиться в линейной работе усилителя.

3. Включить вместо резистора R_к колебательный контур. Установить частоту генератора близкой к резонансной. Подстроить частоту генератора по максимуму амплитуды на одном из выходов усилителя. Записать значения резонансной частоты, амплитуды и фазы на входе и выходах усилителя. Зарисовать осциллограммы напряжений на входе и выходе. Рассчитать коэффициент передачи усилителя на резонансной частоте.

4. Определить коэффициент включения как отношение амплитуд напряжений на выходах1 и 2 усилителя при резонансе. Рассчитать резонансное сопротивление контура и его сопротивление потерь.

5. Изменяя частоту генератора вправо и влево от резонансной, снять и построить график АЧХ усилителя. Частоту медленно менять до тех пор, пока амплитуда напряжения на выходе не упадет примерно до 0.1 от амплитуды на резонансной частоте. По графику АЧХ определить полосу пропускания и добротность контура.

6. Подать на вход усилителя колебания прямоугольной формы с частотой повторения, равной резонансной частоте контура. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений, отметив амплитуды. Провести аналогичный опыт для частот повторения в два и три раза меньшей резонансной, в два раза большей резонансной.

7. 4.3. Оформить отчет.

8. Отчет должен содержать схемы экспериментов, значения параметров элементов схемы и сигналов, таблиц для построения графиков, сравнения теоретических и экспериментальных результатов, выводы.

10. Контрольные вопросы.

1. Чем отличается режим работы транзистора в УНЧ и УВЧ?

2. Как определить, что усилитель настроен в резонанс?

3. Какие параметры усилителя определяет его АЧХ?

4. Что означает термин «избирательный усилитель»?

5. Что происходит со сложным сигналом при подаче его на резонансный усилитель, если его полоса частот превышает полосу частот усилителя?

6. Как влияет частичное включение транзистора к контуру на АЧХ усилителя?

7. Проанализировать один из результатов выполнения п.2.6 работы.

1. Лабораторная работа №5

Резистивный каскад в нелинейном режиме.

Цель работы: Исследование режима работы транзистора с отсечкой выходного тока в усилителе мощности низкой частоты.

5.1. Предварительная подготовка.

1. Построить график ДПХ в виде кусочно-линейной зависимости по точкам: напряжение отсечки Е_отс=0.05 В, напряжение насыщения Е_нас=0,15 В, ток насыщения I_К,нас=30 мА. Рассчитать крутизну линейного участка S.

2. Определить напряжение смещения Е_см и амплитуду входного гармонического сигнала U_m,вх так, чтобы при I_к,макс=I_к,нас обеспечивались режимы работы транзистора с углами отсечки 180⁰, 120⁰, 90⁰, 60⁰, 40^0.. Для всех случаев нарисовать в одном временном масштабе временные функции u_вх(t), u_бэ(t), i_к(t), u_вых(t). (Е_к=6 B,R_K=200 Ом). Определить амплитуды постоянной составляющей и первых трех гармоник выходного тока и напряжения. При этом можно воспользоваться как формулами, так и графиками для безразмерных коэффициентов Берга. Все необходимые значения записать в таблицу 5.1.

3. Таблица 5.1.

0,01

0

0,15

10

20

0,3

30

40

0,45

i_к, mA

50

20