Контрольные вопросы

1. Из каких материалов преимущественно изготавливаются полупровод-никовые приборы?

2. Что такое собственная и примесная электропроводности полупроводника?

3. Что называется электронно-дырочным переходом?

4. Что такое вольт-амперная характеристика диода?

5. На чем основана односторонняя электропроводность полупроводнико-вого диода?

6. В чем состоит основное отличие между германиевыми и кремниевыми полупроводниковыми диодами? В каких устройствах ИИТ и электроснаб-жения они применяются?

7. Чем отличается работа однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей? Их преимущества и недостатки.

8. Чем отличаются режимы работы выпрямителя с активной нагрузкой, с емкостной и индуктивной реакциями?

9. Как влияет включение конденсатора и индуктивной катушки на выход-ное напряжение выпрямителя?

10. Что такое сглаживающий фильтр выпрямителя и каково его назначе-ние? Какие бывают сглаживающие фильтры?

Лабораторная работа № 3 исследование основных параметров и характеристик широкополосного усилителя на биполярном транзисторе

Цель работы: исследовать экспериментально снятые характеристики и параметры широкополосного усилителя (ШПУ) на биполярном транзисторе.

1. Задание к работе

1. Изучить методы измерения и исследования основных параметров и ха­рактеристик ШПУ на биполярном транзисторе.

2. Экспериментально снять зависимости коэффициента передачи (усиле­ния), входного и выходного сопротивлений, амплитудно-частотной характери­стики в функции от частоты.

3. Проанализировать полученные зависимости и сделать вывод относитель­но оптимальности требуемых параметров усиления.

2. Описание работы

В работе исследуется широкополосный усилитель, функционирующий в диапазоне частот 0,01-100 МГц, спроектированный и разработанный в соответст­вии с требованиями, предъявляемыми к современным перспективным широко­полосным усилителям (ШПУ). Усилитель в рабочем диапазоне частот имеет сле­дующие технические показатели:

1) коэффициент усиления – 12±1 дБ;

2) коэффициент шума – не более 3,0 дБ;

3) входные и выходные сопротивления – в пределах 30–80 Ом;

4) сопротивления источника сигнала (генератора) и нагрузки – 75 Ом;

5) нелинейные искажения, оцениваемые динамическим диапазоном по ин­термодуляции третьего порядка, – 90–112 дБ (исследуется в следующей лабо­раторной работе);

6) напряжения питания при токе потребления 100 мА – 151±1 В.

Фотография лабораторного стенда приведена на рис. 1, принципиальная схема – на рис. 2, в. Особенностью уси­лителя является использование на входе и выходе трансформаторов типа «длин­ной линии» (ТДЛ), которые на высоких частотах диапазона функционируют как длинная линия (рис. 2, б), а на низких – как обычный трансформатор (рис. 2, а), вол­новое сопротивление (ρ) которых полностью определяет широкополосность уси­лителя.

Рис. 1. Фотография лабораторного стенда для исследования ШПУ

а)

б)

в)

Рис. 2. Эквивалентная схема ТДЛ: а – на низких частотах; б – на высоких; в – принципиальная электрическая схема исследуемого ШПУ на ТДЛ

Широкополосный трансформатор ТДЛ представляет собой конструкцию из тороидального магнитопровода (ферритового кольца), на который наматываются обмотки их двух, трех и т.д. свитых между собой проводников, образующих симметричные длинные линии (ДЛ). При этом для достижения в ТДЛ максимальной широкополосности ДЛ согласуют с источником сигнала R_Г и нагрузки R_Н, то есть как со стороны входа, так и выхода усилителя. При простейшем включении в цепи сигнала и нагрузки двух, трех или n-проводных линий (см. рис. 2), обеспечивающем величину соотношения напряжений на входе и выходе трансформатора, соответственно, 1:2; 1:3; 1:n либо анало­гично сопротивлений 1:4; 1:9; 1:п², условие согласования определяется соотношением

, (1)

где ρ – волновое сопротивление, Ом; С – емкость ДЛ при XX на выходе; L – ин­дуктивность ДЛ при КЗ на выходе.

В частности, для двухпроводной ρ = R_Г / 3 = 2R_Н, а для трехпроводной ρ = R_Г / 3 = 3R_Н. Следовательно, при неизменных R_Г и R_Н предельно возможная широкополосность трансформатора полностью определяется постоянством вели­чины ρ между всеми проводниками ДЛ.

Широкополосность усилителя в целом определяется нижней и верхней гра­ничными частотами, на которых коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ (1,7 раз). При этом нижняя граничная частота определяется максимальным значением магнитной проницаемости μ ≥ 4000 и наибольшим числом витков, однако при этом длина ДЛ в сантиметрах

^{где – фазовая скорость распространения сигнала, приблизительно равная ≈ (1…1,6)·1010 , см/с; f}_MAX ^{– максимальная частота сигнала, Гц.}

Верхняя граничная частота усилителя определяется максимальной гранич­ной частотой биполярного транзистора (БПТ), а также минимальными геометри­ческими размерами ферритового кольца. При этом для уменьшения входного со­противления усилителя на низких частотах необходимо увеличить погонную ем­кость С, что достигается скручиванием проводников.

Кроме того, для уменьшения шумов и нелинейных искажений в схему ШПУ введена «бесшумная» отрицательная обратная связь (ООС) по току за счет дополнительной обмотки L_ДОП, шунтирование которой резистором малой вели­чины компенсирует ограничение широкополосности из-за введения ООС. Его ве­личина выбирается из соотношения

, (2)

где п = l₁ / l_доп, l₁ – длина проводника ДЛ; l_доп – длина проводника дополнительной обмотки L_ДОП.

Таким образом, максимальная широкополосность при оптимальных других параметрах достигается применением БПТ с высокой граничной частотой усили­теля и ТДЛ с максимальными значениями μ, а также постоянством ρ во всем диапазоне частот.