Учебка / Фриск том 1

600 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Ñê = Ñá′ê — емкость между базой и коллектором, определяемая в основном барьерной емкостью коллекторного перехода;

rá′ê — сопротивление между коллектором и базой, равное в основном дифференциальному сопротивлению коллекторного перехода;

UïSï — генератор тока, управляемый напряжением на базо-эмиттерном переходе, отражающий усилительные свойства транзистора.

Физическая модель БТ показывает, что причиной возникновения внутренней (внутри транзистора) обратной связи является пассивный двухполюсник, состоящий из элементов параллельной цепочки rá′ê è Ñê. Поскольку мощность на выходе усилительного элемента больше, чем на входе, то часть ее будет подаваться на вход, в базовую цепь (хотя вследствие свойств двухполюсника будет существовать и процесс прямой передачи входной мощности на выход, пренебрежимо малой по величине).

Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада по переменному току, являющаяся составной частью резонансного усилителя промежуточной частоты, представлена на рис. 16.23.

Ðèñ. 16.23

Рассматривается вариант (без потери общности) автотрансформаторного подключения транзистора к входной и выходной колебательным системам с коэффициентами включения n1 è m2, соответственно. Цепочка внутренней ОС транзистора изображена в виде проводимостей G12 (активная проводимость) и С12 (реактивная проводимость).

Входная проводимость в точках 11 (см. рис. 16.18) определяется из первого уравнения системы (16.1), делением обеих частей на U1:

Yâõ = I1/U1 = Y11 + Y12U2/U1.

(16.29)

Отсюда видно, что входная проводимость, подключенная к входному контуру через коэффициент включения n1, зависит от собственной проводимости БТ (Y11), проводимости обратной передачи (Y12) и коэффициента усиления по напряжению (U2/U1). Внутренняя паразитная ОС, обусловленная −Y12 = G12 + jω C12, создает на входе каскада ток I, что равносильно возникновению входной динамической проводимости ОС:

Yâõ îñ = Y12 U2/U1.

(16.30)

Лабораторная работа ¹ 16	601

После подстановки U2/U1 из (16.9) с учетом (16.11) и рис. 16.23, получаем:

	Yâõ îñ = − Y 12	m22 Y 21	= −	m22 Y 12 Y 21R ý2	= Gâõ îñ + jBâõ îñ,	(16.31)
		Y ý2		1 + jξ

ãäå Yý2, Rý2 — комплексная и активная составляющая проводимости выходного колебательного контура.

Òàê êàê

Y12Y21 = |Y12Y21|ejϕ = |Y12Y21| (cosϕ + j sin ϕ ),

(16.32)

ãäå ϕ — суммарный фазовый сдвиг, создаваемый комплексными проводимостями прямой и обратной передачи Y21, Y12, зависящий в основном от параметров БТ.

Обозначая

A = –m 2| Y			12	Y	21	|R	ý2	,
	2
можно представить Yâõ îñ â âèäå:
Yâõ îñ	= A	cos ϕ		+	j sinϕ				,
		1 + jξ

откуда активная составляющая проводимости ОС:

A cos ϕ Gâõ îñ = A(cosϕ + ξsinϕ )/(1 + ξ2) = + ξ2

1

а реактивная составляющая

A sin ϕ Bâõ îñ = A(sinϕ – ξcosϕ )/(1 + ξ2) = + ξ2

1

						(16.33)
						(16.34)
	+		Aξ sin ϕ		,	(16.35)
			1 + ξ2
	−	Aξ cos ϕ		.		(16.36)
			1 + ξ2

При малых расстройках (ξ → 0) значения A и ϕ для выбранного режима работы БТ практически постоянны.

Как видно из выражения (16.35), активная составляющая проводимости обратной связи описывается слагаемыми, зависящими от усилительных свойств БТ, внутренней проводимости ОС, параметров выходного колебательного контура, что графически представлено кривой Gâõ îñ íà ðèñ. 16.24à. Аналогично, кривая реактивной проводимости ОС Вâõ îñ, описываемая выражением (16.36), представлена на рис. 16.24á.

Ðèñ. 16.24

602 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Влияние активной составляющей проводимости внутренней ОС БТ на свойства предыдущего каскада проявляется в изменении амплитудно-частот- ной характеристики (АЧХ) предыдущего каскада.

При отсутствии внутренней ОС (Y12 = 0) или выходное напряжение U2 = 0 АЧХ предыдущего каскада представляет колоколообразную зависимость (штриховая зависимость на рис. 16.25).

Ðèñ. 16.25

Ïðè ξ = ξ0 вносимая во входной контур Gâõ îñ = 0 и АЧХ входного контура при отсутствии и наличии ОС совпадают. При ξ > ξ0 во входной контур вносится дополнительная (положительная) проводимость, что увеличивает потери во входном контуре (включенном в коллекторную цепь транзистора предыдущего каскада), что приводит к снижению его нагруженной добротности, т. е. к увеличению полосы пропускания.

Для расстроек ξ < ξ0 вносимая активная проводимость отрицательна (Gâõ îñ < 0), что равносильно присутствию в каскаде положительной ОС, частично компенсирующей потери входного контура и увеличивающей его нагруженную добротность. Увеличение добротности входного контура приводит к увеличению коэффициента усиления входного каскада (см. например (16.14), Rý = Qýρ ), как в любом одноконтурном каскаде. При очень сильной положительной ОС усилитель может самовозбудиться.

Влияние реактивной составляющей проводимости ОС на входной контур сводится к тому, что при частотах, меньше резонансной ξ < 0, Ââõ îñ > 0, т. е. вносится некоторая емкость, увеличивая результирующую, что приводит к уменьшению резонансной частоты. С увеличением расстройки Вâõ îñ < 0 становится отрицательной, что равносильно внесению в контур дополнительной индуктивности, снижению характеристического сопротивления контура. Это приводит к снижению коэффициента усиления входного каскада и подстройке резонансной частоты.

Реальный характер изменений АЧХ входного контура зависит от многих факторов и их взаимодействия: величины внутренней ОС, определяющей зна- чения Gâõ îñ è Ââõ îñ и их соотношение, нагруженной добротности, коэффициентов включения во входной и выходной колебательные контуры, определяющие коэффициент усиления. Под действием указанных факторов входной каскад должен сохранять усилительные свойства, а изменение АЧХ под действием паразитной положительной ОС должно оставаться в допустимых пределах (по величине частотных искажений, изменению ширины полосы пропускания и др.). Это определяет условие устойчивой работы усилителя, при кото-

Лабораторная работа ¹ 16	603

рой самовозбуждение отсутствует, а деформация АЧХ возможна лишь в допустимых пределах.

Для количественной оценки устойчивой работы усилителя вводят понятие: коэффициент устойчивости, характеризующий относительное изменение проводимости входного контура из-за внутренней ОС. Коэффициент устой- чивости, определяемый влиянием активной составляющей внесенной прово-

димости Gâõ îñ:
ê	óñò	= (G	ý1	+ n	2G	âõ îñ	)/G	ý1	,	(16.37)
				1
ãäå Gý1 — эквивалентная проводимость входного контура на резонансной час-
тоте (рис. 16.23). Отсутствие самовозбуждения определяется										условием:

(Gý1 + n12Gâõ îñ) > 0.

Åñëè êóñò = 0, то усилитель самовозбуждается, условие кóñò = 1 соответствует максимальной устойчивости усилителя. На практике коэффициент устой- чивости выбирают кóñò = 0,8—0,9, что обеспечивает допустимое изменение коэффициента усиления входного каскада не более 20 %.

	Из (16.35) с учетом (16.33) следует, что
						cos ϕ +ξ sinϕ
	Gâõ îñ = −m	22	Y 12	Y 21	R ý2		= – m22|Y12Y21| Rý2	g(ϕ,ξ) ,	(16.38)
						1 + ξ2
	ãäå g(ϕ,ξ) = (cosϕ	+ ξ sinϕ )/(1 + ξ2). Подставив (16.38) в (16.37) получим:
				êóñò = 1 − n12m22|Y12Y21|Rý2Rý1 g(ϕ,ξ) .					(16.39)

При идентичности контуров на входе и выходе усилительного каскада: Rý1 = Rý2, n1 = n2, m1 = m2, что часто соответствует практике, выражение для резонансного коэффициента усиления при заданном коэффициенте устойчи- вости имеет вид:

K	=		1 − ê	óñò		Y	21			.	(16.40)
0			g(ϕ ,ξ )			Y 12

Исследуя функцию g(ϕ ,ξ) на экстремум и выбирая наихудший случай, получаем выражение модуля резонансного устойчивого коэффициента усиления К0ó для заданного коэффициента устойчивости кóñò (допустимого искажения АЧХ):

Ê0ó =		2(1 − ê óñò )				Y 21				.	(16.41)
			Y 12

Выражение (16.41) показывает значение максимально достижимого коэффициента усиления, который можно реализовать в одноконтурном резонанс-

604 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

ном усилителе при выбранном коэффициенте устойчивости. Реальный коэффициент усиления всегда должен быть меньше К0ó

Ê0 < Ê0ó.

Это достигается выбором коэффициентов включения (n, m), ослаблением внутренней обратной связи БТ (использованием транзисторов с меньшим Y12), применением схем нейтрализации ОС или усилителей, реализованных по каскодной схеме.

8Литература

1.Головин О. В. Радиоприемные устройства. М.: ВШ, 1997. 384 с.

2.Головин О. В., Кубицкий А. А. Электронные усилители. М.: РиС, 1983.

323 ñ.

3.Радиоприемные устройства / Под ред. Н. Н. Фомина. — М.: РиС, 2003.

512 ñ.

4.Разевиг В. Д. Система схемотехнического проектирования Micro-CAP V11. М.: СОЛОН, 1997. 273 c.

5.http://WWW.spectrum-soft.com/demo.shtml (адрес в Internet для получе- ния студенческой версии ССМ МС).

Приложение

Параметры транзистора Q2 с учетом режима работы:

Iêî2 = 3 ìÀ; rá' = 71,4 Îì; S = 160 ìÀ/Â; fò = 250 ÌÃö; Cê = 7 ïÔ; g22 = 200 ìêÑì.

Параметры контура второго каскада:

Rîå = 150 êÎì; Rí = 330 Îì; L = 340 ìêÃí.

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Глава первая. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ОТЦ . . . . . . . . 5

Лабораторная работа ¹ 1. Знакомство с системой

схемотехническоко моделирования Micro-Cap . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Лабораторная работа ¹ 2. Исследование на ЭВМ характеристик источника постоянного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Лабораторная работа ¹ 3. Исследование на ЭВМ характеристик источников тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Лабораторная работа ¹ 4. Распределение потенциала вдоль неразветвленной электрической цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Лабораторная работа ¹ 5. Исследование входных частотных характеристик в RC-цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Лабораторная работа ¹ 6. Исследование на ЭВМ цепей с обратной связью с системной точки зрения . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Лабораторная работа ¹ 7. Исследование S-параметров четырехполюсников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Лабораторная работа ¹ 8. Исследование сигнала с амплитудной модуляцией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Лабораторная работа ¹ 9. Исследование сигнала с частотной модуляцией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Лабораторная работа ¹ 10. Исследование на ЭВМ RC-генератора . . 138

Лабораторная работа ¹ 11. Исследование на ЭВМ цифровых логических элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Лабораторная работа ¹ 12. Временная дискретизация аналоговых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

Лабораторная работа ¹ 13. Спектральный анализ сигналов с применением ДПФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

Лабораторная работа ¹ 14. Исследование КИХ-фильтров . . . . . . . . 210

Лабораторная работа ¹ 15. Исследование БИХ-фильтров . . . . . . . . . 221

606	Оглавление

Глава вторая. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ОС И РПрУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

РАЗДЕЛ 1. Описание лабораторных работ по ОС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

Лабораторная работа ¹ 1. Резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

Лабораторная работа ¹ 3. Исследование усилителя мощности на основе ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

Лабораторная работа ¹ 7. Исследование свойств эмиттерного
повторителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	312

Лабораторная работа ¹ 8. Широкополосный усилитель с цепями коррекции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

РАЗДЕЛ 2. Описание лабораторных работ по РПрУ . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

Лабораторная работа ¹ 5. Исследование дробного детектора . . . . . . 377

Лабораторная работа ¹ 6. Исследование свойств гетеродина на биполярном транзисторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

Лабораторная работа ¹ 14. Исследование диодного детектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

Лабораторная работа ¹ 15. Исследование преобразователя частоты на биполярном транзисторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522

Лабораторная работа ¹ 16. Исследование транзисторного резонансного усилителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

Серия «Библиотека студента»

Фриск Валерий Владимирович Логвинов Василий Васильевич

Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства

Лабораторный практикум на персональном компьютере

Ответственный за выпуск

В. Митин

Макет и верстка

С. Тарасов

Обложка

Å.Холмский

ÎÎΫСОЛОН-ПРЕСС»

123242, г. Москва, а/я 20

Телефоны:

[phone], [phone], [phone]

E-mail: [e-mail]

По вопросам приобретения обращаться:

ООО «Альянс-книга КТК»

Òåë: [phone], 258-91-95 www.abook.ru

ООО «СОЛОН-ПРЕСС»

103050, г. Москва, Дегтярный пер., д. 5, стр. 2 Формат 70× 100/16. Объем 38 п. л. Тираж 1000 экз.

Отпечатано в ООО «Арт-диал»

143983, МО, г. Железнодорожный, ул. Керамическая, д. 3 Заказ ¹