Порядок выполнения работы

1. 

   Рис. Схема исследования статических параметров транзистора

   Подготовить к работе измерительные приборы.

2. Собрать схему и подключить к сети. Выдержать паузу в течение 10 минут для температурной стабилизации компонентов.

3. Изменяя значение E₁, снять входную характеристику схемы с общим эмиттером. В процессе измерения поддерживать постоянство напряжения между коллектором и эмиттером. Показания занести в таблицу.

4. Изменяя значение E2, снять выходную характеристику схемы с общим эмиттером. В процессе измерения поддерживать постоянство тока базы. Показания занести в таблицу.

Таблица

№	UKE =		UKE =		IB =		IB =
	UBE	IB	UBE	IB	UKE	IC	UKE	IC
1
7

По выбору преподователя повторить процесс измерения по снятию входной и выходной характеристики для схемы с общим калектром или общей базы. Таблица (I_B = f(U_BС), при U_EC = const) и выходных (I_E = f(U_EC), при I_B = const). I_E = f(U_EB), при U_CB = const) и выходных (I_C = f(U_CB), при I_E = const).

Лабораторная работа №3 Исследование работы активных и пассивных фильтров Общие сведения

Фильтр в электронике — устройство для выделения желательных компонент спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных. В схемах пассивных аналоговых фильтров используют реактивные элементы, такие как катушки индуктивности и конденсаторы. Сопротивление реактивных элементов зависит от частоты сигнала, поэтому, комбинируя такие элементы, можно добиться усиления или ослабления гармоник с нужными частотами.

Рис. 5. АЧХ фильтров: а – ФНЧ; б – ФВЧ; в – ПФ; г – РФ

Разложение периодических несинусоидальных величин в ряд Фурье позволяет использовать для расчета цепей с несинусоидальными токами при условии линейности этих цепей методы, разработанные в теории цепей синусоидального тока. При этом применяется принцип суперпозиции. Комплексным коэффициентом передачи K это отношения комплексного изображения выходной величины U_out к комплексному изображению входной величины U_in во всей области частот.

K можно представить в показательной форме: К(j) = К() exp(j()), где K(ω) – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) цепи или объекта; φ(ω) – фазо-частотная характеристика цепи (ФЧХ). K(ω) дает отношение действующих или амплитудных значений выходной и входной величин K(ω) = U_out(ω)/U_in(ω), а φ(ω) – сдвиг фаз между выходной и входной величинами.

Активные аналоговые фильтры строятся на основе усилителей (транзисторов или операционных усилителей), охваченных петлёй обратной связи (положительной или отрицательной). В активных фильтрах возможно избежать применения катушек индуктивности, что позволяет уменьшить физические размеры устройств, упростить и удешевить их изготовление. По взаимному расположению полос пропускания и полос задерживания различают фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые (ПФ) и режекторные фильтры (РФ).

Частота при которой коэффициент передачи отличается от максимального 1/ 0,7 называется частотой среза. Частота среза определяет полосу пропускания фильтра. Очень важным параметром является порядок фильтра, которым определяется скорость спада АЧХ при переходе от полосы пропускания к полосе подавления. Окончательный наклон характеристики - скорость спада уже в полосе подавления - всегда будет N20 dB/декаду, где N - порядок фильтра. Так фильтр первого порядка имеет наклон АЧХ 20 dB/декаду, второго порядка - 40 dB/декаду, третьего порядка – 60 dB/декаду и т.д. Чем выше порядок фильтра, тем точнее формируется его полоса пропускания и, следовательно, тем меньшее количество нежелательных составляющих входного сигнала поступает на его выход.

Порядок фильтра в пассивных фильтрах определяется количеством реактивных элементов. В реальных схемах к выходу фильтра подключается активная нагрузка, которая понижает добротность фильтра. Фильтры используются в звуковой аппаратуре в многополосных эквалайзерах для корректировки АЧХ, для разделения сигналов низких, средних и высоких звуковых частот в многополосных акустических системах, в схемах частотной коррекции магнитофонов и др.

Сглаживающий фильтр – электрическая цепь, позволяющая уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Основной характеристикой фильтра является коэффициент сглаживания пульсаций S, представляющий собой отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра K_p,in к коэффициенту пульсаций на выходе K_p,out, S = K_p,in / K_p,out. В некоторых высококачественных блоках питания коэффициент сглаживания нормируется не только для первой гармоники, но и для некоторых других.

Различают сглаживающий пассивные C-, L-, RC- и LC-фильтры (рис. 6). Выбор вида и параметров компонентов фильтра определяется сопротивлением нагрузки R_L. С-компонента в простейших фильтра обычно включается параллельно нагрузки и образует делитель тока. Выбор емкости определяется условием X_C<<R_L. R- и L-компоненты устанавливаются последовательно и образуют делитель напряжения с сопротивлением нагрузки. Условием выбора этих компонент R<<R_L, X_L<<R_L. C-фильтр применяется только в маломощных выпрямителях (до 1А). Основной их недостаток, необходимость запаса по импульсному току при выборе диодов, особенность – амплитудное значение напряжения на выходе. L- фильтры применяются только при больших нагрузках (свыше 1А). Для современной аппаратуры основным недостатком этих фильтров является большие габариты. RC-фильтры применяются при мощностях до 10 Вт. Недостаток: R-компонента, которая включается последовательно с нагрузкой существенно снижает КПД. Достоинство: R ограничивает импульсный ток заряда емкости и защищает диоды.

Рис. 6. Сглаживающие пассивные фильтры. а – C-фильтр; б – L-фильтр; в – Г-образный RC 1 порядка; г – Г-образный LC 2 порядка; д – П-образный RC 2 порядка; е – Г-образный LC 3 порядка

Рис. 7 Активные транзисторный фильтр. а –

Для большего сглаживания повышают порядок фильтра (но обычно не выше третьего) или применяют активные фильтры. Уменьшить массогабаритные показатели можно, используя транзисторные СФ, вместо громоздких LC-фильтров. Правда выигрыш транзисторных фильтров компенсируется меньшим КПД. На рис. 7а-б представлены схемы наиболее простых транзисторных фильтров.

На коллектор транзистора VT1 поступает напряжение с выпрямителя с большой амплитудой пульсаций. Цепь базы питается через интегрирующую цепь RC. Эта цепочка сглаживает пульсации на базе транзистора. В принципе, эту цепь можно представить, как RC-фильтр. Чем больше постоянная времени τ = RC, тем меньше пульсации напряжения на базе транзистора. Ну а поскольку транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, то на выходе напряжение будет повторять напряжение на базе, т. е. пульсации будут столь же малыми, как и на базе. Емкость конденсатора С может быть в несколько раз меньше (примерно в h21E раз), чем в LC-фильтре, поскольку базовый ток намного меньше выходного тока фильтра, т. е. коллекторного тока транзистора. Основное достоинство схем – простота. Недостатки, противоречивые требования к сопротивлению R1 - для уменьшения пульсаций следует увеличивать сопротивление, для повышения КПД - уменьшать. Во-вторых, сильная зависимость параметров от температуры, тока нагрузки, коэффициента передачи тока базы транзистора (h_21E). Несколько иная схема, приведенная на рис. 5.

На рис. 7в. практическая схема транзисторного сглаживающего фильтра, по КПД и пульсациям близкого к LC-фильтрам, но превосходящего их по массогабаритным показателям. Схема приведена на рис 7.

На коллектор транзистора VT1 поступает входное напряжение с большими пульсациями, на базу через R1 напряжение от отдельного источника, по значению больше входного. С1 заряжается до тех пор, пока напряжение на нем не станет больше входного на величину прямого напряжения на диоде VD1. С1 начинает разряжаться через отпертый диод VD1, транзистор VT1 и нагрузку. Разряжаться С1 будет, пока входное напряжение вновь не станет увеличиваться. Диоды VD2, VD3 смещают уровень постоянной составляющей. Кроме того, диод VD2 выполняет функции ключа в пиковом детекторе VD2C2. Поскольку ток базы довольно мал и С2 разряжается только через цепь базы, то пульсации на нем будут меньше, чем на С1. Значит и на выходе пульсации будут незначительны. В качестве транзистора используется КТ827А. Можно заменить его на составной из КТ815 и КТ819. При входном напряжении 14-15 В с уровнем пульсаций 2,5-3 В и напряжении на базе 18-20 В при токе нагрузки 2 А выходное напряжение 12,5 В с уровнем пульсаций 40 мВ.

В схемах активных фильтров можно встретить использование операционных усилителей, некоторые производители выпускают специализированные фильтры в интегральном исполнении. Такие подходы обеспечивают лучшее качество, в отличии от транзисторов обеспечивают лучший КПД, исключается возможность попадания в насыщение транзистора из-за вариации входного напряжения и индивидуальных параметров транзистора. Однако существуют ограничения по напряжению и повышение требовании к монтажу.