ПОСОБИЕ ПО ЛАБАМ СФУ

Цель работы – исследование нелинейного резонансного усиления и умножения частоты. В работе снимаются колебательные характеристики нелинейного элемента – транзистора при различных смещениях, определяется коэффициент усиления в режиме удвоения и утроения частоты.

Основные обозначения, расчетные формулы и определения

Принципиальная схема нелинейного резонансного усилителя

Рисунок 1.1 Принципиальная схема нелинейного резонансного усилителя.

приведена на рисунке 1.1.

Режим работы нелинейного элемента в схеме усилителя показан на рисунке 1.2.

Пусть на входе усилителя действует напряжение:

uб=Uб0+Uбm cos ω0t

(1.1)

где . При этом ток, протекающий в коллекторной цепи транзистора,

iк=I0к+å Iкn cos nw0t

(1.2)

где n=1 до ∞ , напряжение на коллекторе, если контур настроен в резонанс на одну из гармоник,

Uk = Ek − Ikn Zýêð cosωpt = Ek −Ukm cosωpt

(1.3)

где Zэкр – эквивалентное сопротивление параллельного контура при резонансе; Uкm – амплитуда напряжения на коллекторе при резонансе.

Кусочно-линейная аппроксимация характеристики транзистора Iк (Uб)

(1.4)

позволяет найти амплитуды гармонических составляющих тока как функции угла отсечки:

	Ikn = SUáì βn (θ ) = Imaxαn (Θ)				(1.5)
	где αn (Θ) и βn (Θ) - коэффициенты разложения косинусоидального
	импульса в ряд Фурье. Угол отсечки Θ находят из соотношения
	cosθ = (U0 −Uá0 )				(1.6)
	Uáò
	Коэффициенты разложения αn (Θ) достигают наибольших значений при
	углах отсечки
	Θî ï ò	=	120o		(1.7)
			n
	а коэффициенты βn (θ ) при
	Θî ï ò	=	180o		(1.8)
			n

При анализе нелинейных цепей с избирательной нагрузкой квазилинейным методом вводятся характеристики и параметры нелинейного элемента для интересующей гармоники.

Рисунок 1.2 Графики, поясняющие режим работы нелинейного

резонансного усилителя

Так, параметром транзистора по первой гармонике в схеме (рисунок 9.1) является средняя крутизна

	Sñð =	Ik1	=	S	(θ − sinθ cosθ )	(1.9)
		Uáì		π

Коэффициент усиления нелинейного резонансного усилителя по первой гармонике

Kí 1	=	Ukm	= Sñð × Zýêð	(1.10)
	Uám

Зависимость амплитуды первой гармоники коллекторного тока Ik1 или амплитуды напряжений на контуре Uкm от амплитуды входного напряжения Uбm называется колебательной характеристикой.

Зависимость коэффициента усиления нелинейного резонансного усилителя по первой гармонике Kí 1 от амплитуды напряжения

возбуждения Uáì	называется	амплитудной	характеристикой
усилителя.
Временная	диаграмма	коллекторного	тока	ik (t)	в

недонапряженном режиме имеет вид, показанный на рисунке (1.2), в

перенапряженном режиме наблюдаются провалы в импульсах коллекторного тока. Критический режим представляет собой

предельный случай недонапряженного режима. Напряженность

режима можно охарактеризовать с помощью так называемого коэффициента использования коллекторного напряжения или коэффициента напряженности режима

	ξ =	Ukm	(1.11)
		Ek

В критическом режиме ξêð = 0,85 ÷ 0,95 , в недонапряженном ξ < ξkp , в

перенапряженном ξ > ξkp

Домашнее задание

1)Изобразить принципиальную схему транзисторного нелинейного резонансного усилителя.

2)Переснять на кальку вольт - амперную характеристику iк (Uб) (рис 1.4) транзистора КТ 315. выполнить кусочно – линейную аппроксимацию этой характеристики.

3)Для заданных параметров контура ( f*p, С*к, Q*, p*,) рассчитать эквивалентное сопротивление контура при резонансе.

4)Рассчитать колебательные характеристики Ukm (Uám ) для трех значений напряжения смещения на базе: а) Uá 0 = 0, 4 В; б) Uá 0 = 0,6 В; в)

Uá 0 = 0,8 В, используя результаты, полученные при выполнении п.2 и 3 домашнего задания, и значения коэффициентов разложения косинусоидального импульса, приведенные в приложении 3.

5)Определить по идеализированным колебательным характеристикам значения входного напряжения, соответствующие критическому режиму, для указанных трех значений напряжения смещения. Определить коэффициент усиления нелинейного резонансного усилителя в критическом режиме.

6)Используя аппроксимированную характеристику нелинейного элемента, рассчитать значения Uбm нелинейного усилителя,

соответствующие заданным значениям угла отсечки и напряжения смещения

для следующих случаев: а) θ =180o , Uá 0 = 0,8 В; б) θ =120o , Uá 0 = 0,8 В; в)

θ = 60o , Uá 0 = 0, 4 В.

Рассчитайте наибольшее значение коэффициента усиления нелинейного резонансного усилителя в режиме удвоения и утроения частоты.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка позволяет выполнять лабораторные работы № 1,2, 3.

В сменном устройстве расположены нелинейный усилитель, нагрузку и режим которого можно изменять, и исследуемый последовательный диодный детектор. Все органы управления работой лабораторной установки выведены на переднюю панель, изображенную на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 Передняя панель установки для выполнения лабораторных работ № 1, 2, 3

Выбор исследуемой схемы осуществляется тумблером Т2.

При исследовании нелинейного усиления внешнее высокочастотное гармоническое напряжение от генератора высокой частоты подводится к гнездам высокой Г1.

Постоянное напряжение смещения на базе транзистора КТ-315 нелинейного усилителя можно изменять потенциометром Uб0. постоянное

напряжение измеряется вольтметром базового устройства с верхним пределом шкалы 2 В. В цепи эмиттера транзистора включено сопротивление 620 Ом. Характеристика транзистора iк (Uб), снятая в этом режиме, приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 График характеристики транзистора

С помощью тумблера Т1 переключается нагрузка в коллекторной цепи транзистора: в положении 1 включается параллельный колебательный контур, в положении 2 – активное сопротивление R=1 кОм. Переключатель Ск позволяет установить значение емкости контура, принятое при выполнении домашнего задания, в соответствии с номером бригады.

Гнезда Г4 и Г5 лабораторной установки используются для подключения вольтметра и осциллографа, для измерения напряжения в различных точках схем. Необходимые для этого коммутации осуществляются с помощью переключателей «Вольтметр» и «Осциллограф».

Лабораторное задание и методические указания.

1)Исследовать резистивный нелинейный усилитель. Получить и зарисовать осциллограммы выходного напряжения при: а) 0 = 180, Uá 0 = 0,8

В; б) θ = 120o , Uá 0 = 0,8 В; в) θ = 90o , Uá 0 = 0,6 В; г) θ = 60o , Uá 0 = 0, 4 В.

1.1) Подготовить приборы и установку к работе. Собрать схему исследования.

Подключить генератор высокочастотных колебаний к гнездам Г1, Y – вход осциллографа – к гнездам Г5, милливольтметр – к гнезду Г4.

Установить частоту колебаний генератора равной резонансной частоте контура.

Установить тумблер Т2 в положение «1», тумблер Т1 в положение «2», переключатель «Осциллограф» - в положение «А».

1.2) Изменяя выходное напряжение генератора высокой частоты,

установить по внешнему вольтметру рассчитанное при выполнении домашнего задания значение амплитуды входного напряжения, соответствующее заданному углу отсечки.

Установить по вольтметру базового устройства напряжение смещения, обеспечивающее заданный угол отсечки.

1.3) Получить и зарисовать осциллограммы напряжения на выходе нелинейного резистивного усилителя.

2)Снять колебательные характеристики нелинейного резонансного

усилителя при: а) Uá 0 = 0,8 В; б) Uá 0 = 0,6 В; в) Uá 0 = 0, 4 В.

2.1) Установить тумблер Т1 в положение «1», включив параллельный контур в нагрузочную цепь усилителя.

2.2) При Uá 0 = 0,8 В и Uá = 0, 2 В, изменяя частоту генератора,

установить по максимуму выходного напряжения усилителя частоту генератора равной резонансной частоте контура.

2.3) Снять зависимость Ukm (Uám ) при заданных значениях напряжения смещения , изменяя напряжение возбуждения до 1 В. определить значение Uá , соответствующее критическому режиму.

3)Используя колебательные характеристики, рассчитать амплитудные характеристики нелинейного резонансного усилителя.

4)Исследовать нелинейный резонансный усилитель в режиме умножения частоты. Получить и зарисовать осциллограммы напряжения на

входе нелинейного резонансного усилителя в режиме удвоения и утроения частоты, сравнить с осциллограммами напряжения на выходе резистивного

нелинейного усилителя при тех же условиях. Определить коэффициент усиления в режиме удвоения и утроения частоты.

4.1) Установить Uá 0 = 0,6 В и Uá ≈ Uáêð . Уменьшая частоту генератора, добиться, чтобы частота второй гармоники тока совпала с резонансной частотой контура.

Изменяя напряжение смещения, добиться, максимума напряжения на выходе резонансного нелинейного усилителя, работающего в режиме умножения частоты.

Зарисовать осциллограмму выходного напряжения умножителя и измерить его значение. Определить коэффициент усиления умножителя.

4.2) Включить резистивную нагрузку тумблером Т1, просмотреть и

зарисовать осциллограммы напряжения на выходе для режимов нелинейного элемента, используемых в п. 4.1.

4.3) Установить Uá 0 = 0,6 В. исследовать нелинейный усилитель в режиме утроения частоты по методике, описанной в п. 4.1 и 4.2.

Указания к отчету

Отчет должен содержать:

1)результаты расчетов, полученные при выполнении домашнего

задания;

2)принципиальную схему нелинейного резонансного усилителя;

3)графики колебательных и амплитудных характеристик, полученных экспериментально и расчетным путем;

4)осциллограммы напряжений на выходе нелинейного резонансного усилителя при различных углах отсечки и напряжений на выходе удвоителя

иутроителя частоты;

5)результаты экспериментального определения коэффициентов усиления удвоителя и утроителя частоты;

6)выводы и оценку полученных результатов.

Вопросы для самопроверки

1) Поясните принцип работы нелинейного резонансного усилителя.

2)Как зависит угол отсечки коллекторного тока от напряжения смещения и амплитуды возбуждения ?

3)Изобразите временные диаграммы коллекторного тока и напряжения на контуре в недонапряженном и перенапряженном режимах нелинейного резонансного усилителя. Чем объясняются имеющиеся отличия ?

4)Как определить амплитуды первой, второй и третьей гармоник коллекторного тока, если известны амплитуда импульса коллекторного тока

икрутизна аппроксимирующей прямой при кусочно линейной аппроксимации ?

5)Чем определяется напряженность режима нелинейного резонансного усилителя ?

6)Чему равен коэффициент усиления нелинейного резонансного усилителя в критическом режиме при θ = 90o ?

7)Как изменяется колебательная характеристика при уменьшении

(увеличении): а) Ek , б) Uá 0 , в) Zýêð .

8) Изобразите временные диаграммы коллекторного тока и напряжений на базе и коллекторе в схемах удвоителя и утроителя частоты.

9)Объясните зависимость режимов работы нелинейного резонансного усилителя от питающих напряжений.

10)Как следует выбирать угол отсечки коллекторного тока в умножителях частоты при работе: а) с постоянной величиной импульса коллекторного тока; б) с постоянной амплитудой возбуждения ?

11)Как объяснить, что при одинаковом угле отсечки в режиме удвоения КПД ниже, чем в режиме усиления ?

12)Почему не применяются высокие кратности умножения частоты ? 13)Каковы энергетические преимущества режима с отсечкой тока ?

Лабораторная работа №2

Амплитудная модуляция смещением

Цель работы – исследование физических процессов при амплитудной модуляции смещением. В работе снимаются статические и динамические

модуляционные характеристики транзисторного усилителя с базовой модуляцией.

Основные обозначения, расчетные формулы и определения

Для получения АМ колебаний при модуляции смещением ко входу модулируемого усилителя, схема которого приведена на рисунке 2.1, подается: а). постоянное напряжение смещения Uб0, определяющее рабочую точку; б) низкочастотный модулирующий сигнал, управляющей изменением средней крутизны нелинейного элемента – транзистора; в) высокочастотное колебание с амплитудой Uбm, и частотой ω0=ωр, для которого нелинейный

элемент может рассматриваться как усилитель с переменным параметром Sср, управляемый модулирующим напряжением.

Рисунок 2.1 Принципиальная схема транзисторного модулируемого усилителя с

модуляцией смещением

Режим транзистора при получении гармонической модуляции смещением показан на рисунке 2.2.