“Исследование резисторного каскада широкополосного усилителя на полевом транзисторе”
1. Цель работы
Исследовать влияние элементов схемы каскада широкополосного усилителя на полевом транзисторе с общим истоком на его показатели (коэффициент усиления, частотные и переходные характеристики).
2. Подготовка к работе
2.1. Изучить следующие вопросы курса:
- цепи питания полевого транзистора;
- назначение элементов принципиальной схемы резисторного каскада на полевом транзисторе;
- принцип действия простой параллельной высокочастотной коррекции индуктивностью;
- площадь усиления: определение и методика измерения по АЧХ;
- принцип действия низкочастотной коррекции;
- переходные характеристики и искажения в широкополосном усилителе;
- влияние цепей коррекции на переходные характеристики в области малых и больших времен.
2.2. Изучить принципиальную схему каскада.
2.3. Выполнить предварительный расчет к лабораторной работе: используя данные принципиальной схемы, рассчитать оптимальные значения L1 и С6 для получения максимально плоской формы АЧХ в области граничных частот (fв и fн). Варианты значений выходной разделительной емкости (С2) и емкости нагрузки С4 указаны в таблице 3.1
Таблица 3.1 – Варианты значений емкостей
| № бригады |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
| С2, нФ |
10 |
20 |
30 |
40 |
20 |
10 |
| С4, пФ |
200 |
300 |
400 |
500 |
400 |
200 |
Литература
Конспект лекций.
3. Описание схемы лабораторной установки
Принципиальная схема каскада изображена на рисунке 13.
Исследуемый усилитель выполнен на полевом транзисторе 2П303Б с p-n - переходом и каналом n - типа. Резистор R3 служит для создания начального напряжения смещения на затворе, определяющего положение точки покоя. Подача напряжения смещения на затвор осуществляется через резистор R2. Поскольку через R2 протекает только ток затвора, не превышающий 10-10…10-12 А, то допустимо считать, что ток затвора отсутствует и смещение полностью определяется падением напряжения на резисторе R3. Резистор R3 создает также ООС по постоянному току, которая стабилизирует ток покоя при изменениях температуры и технологическом разбросе параметров элементов.
Резистор R3 может являться элементом отрицательной обратной связи по сигналу (по переменному току), за счёт которой уменьшается коэффициент усиления. Для устранения этой ОС в рабочем диапазоне частот параллельно резистору R3 подключается конденсатор большой ёмкости C3.
Рисунок 13 – Принципиальная схема исследуемого каскада
На входе и выходе каскада находятся разделительные конденсаторы С1 и С2. К внешней нагрузке R4 подключен конденсатор C4, который имитирует влияние ёмкостной составляющей внешней нагрузки. Резистор R1 представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала.
С помощью переключателей S1 и S2 выбирается ёмкость С5 или С6, которые вместе с резистором R6 используются как элементы фильтра в цепи питания. Причем, при подключении малой емкости (С6) фильтрующая цепочка может использоваться для коррекции АЧХ в области нижних частот.
С помощью переключателей S1, S2 и S3 изменяются параметры выходной цепи схемы. Если переключатели S1 и S2 находятся в положении “выключено”, а S3 - “включено”, то резисторы R5 и R6, соединенные последовательно, образуют элемент связи в стоковой цепи. В этом случае общее сопротивление стоковой цепи по постоянному току возрастает, что приводит к увеличению выходного напряжения.
При замыкании ключа S1 емкость С5 шунтирует сопротивление R6 по переменному току. При этом усиление каскада снижается, но несколько улучшаются частотные свойства усилителя.
Если переключатель S2 находится в положении “включено”, а S1 и S3 - “выключено”, то в стоковую цепь каскада подключаются корректирующие элементы. При этом индуктивность L1 выполняет роль корректирующего элемента в области верхних частот.
Оптимальное значение емкости С6 определяется выражением
(3.1)
Оптимальное значение индуктивности L1опт определяется как
L1опт = 0,414 × С4 × (R5)2 (3.2)
В каскадах на полевых транзисторах при больших значениях входного сопротивления входное напряжение практически равно ЭДС источника сигнала. Граничные частоты определяются при частотных искажениях Мн = Мв = 3 дБ. При выполнении условия fн >> fв площадь усиления можно определить как
П = К(fср) × fв , (3.3)
4. Задание к работе в лаборатории
4.1 Ознакомиться с методикой проведения измерений с применением программы Electronics Workbench.
4.2 Исследовать амплитудно-частотные характеристики:
- схемы без коррекции;
- схемы с НЧ – и ВЧ – коррекцией.
4.3. По экспериментальным данным определить коэффициент передачи по напряжению на средней частоте, граничные частоты при заданных частотных искажениях и площадь усиления.
4.4. Измерить время установления импульсов малой длительности и зарисовать осциллограммы выходного напряжения:
- схемы без коррекции;
- схемы с ВЧ – коррекцией.
4.5. Определить величину неравномерности вершины импульса большой длительности и зарисовать осциллограммы выходного напряжения:
- схемы без коррекции;
- схемы с НЧ – коррекцией.
5. Порядок выполнения работы
5.1. Запустить программу Electronics Workbench (см. с. 16). После завершения загрузки управляющей оболочки необходимо открыть схему лабораторной установки, для чего выбрать в меню File команду Open, (либо щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме
в линейке меню) а затем из предложенного списка выбрать файл lab7.ewb.
5.2. В соответствии с таблицей 3.1 установить требуемые значения выходной разделительной емкости (С2) и емкости нагрузки (С4).
5.3. Измерить амплитудно-частотные характеристики.
Измерения проводятся с помощью Боде-плоттера (см. указание к п. 5.2 к лабораторной работе № 4) для нескольких вариантов схемы, отличающихся величинами элементов параллельной коррекции.
По измеренным АЧХ определить значения граничных частот fн и fв и определить К(fср). Граничные частоты определяются при допустимых частотных искажениях Мн = Мв = 3 дБ. Рассчитать площадь усиления каскада для каждого из указанных ниже вариантов схемы.
Исследовать следующие варианты АЧХ усилительного каскада.
1. Для схемы без коррекции:
- переключатель S3 замкнут, S1 и S2 – разомкнуты;
- переключатели S1, S3 замкнуты, S2 – разомкнут.
2. Для схемы с НЧ- и ВЧ – коррекцией:
- переключатель S2 замкнут, S1 и S3 – разомкнуты;
- при аналогичном положении переключателей и оптимальных значениях емкости С6 и индуктивности L1.
5.4. Исследовать переходную характеристику каскада в области малых времен (tи = 5 мкс). Измерения производятся с помощью осциллографа (см. с. 10 -13) при подачи прямоугольных импульсов с частотой fс = 100 кГц и амплитудой Um ист = 20 мВ на вход исследуемого усилителя.
Перед проведением дальнейших измерений необходимо восстановить исходные (номинальные) значения элементов.
Зарисовать форму выходного сигнала и измерить время установления импульса для следующих вариантов.
- без коррекции (переключатель S3 замкнут, S1 и S2 – разомкнуты);
- без коррекции при включении большой емкости фильтра С5 (переключатель S1, S3 замкнуты, S2 – разомкнут);
- с коррекцией при номинальных (исходных) значениях элементов (переключатель S2 замкнут, S1 и S3 – разомкнуты);
- с коррекцией при оптимальном значении индуктивности L1опт, рассчитанном для заданного варианта;
5.5. Исследовать переходную характеристику каскада для области больших времен (tи = 5000 мкс), для чего подать с выхода генератора на вход схемы прямоугольные импульсы с частотой fс = 100 Гц.
Перед проведением дальнейших измерений необходимо восстановить исходные (номинальные) значения элементов.
С помощью осциллографа измерить ПХ и определить величину неравномерности вершины импульса для следующих вариантов схемы:
- переключатель S3 замкнут, S1 и S2 – разомкнуты (без корректирующих элементов);
- переключатель S1, S3 замкнуты, S2 – разомкнут (включена большая емкость фильтра С5);
- переключатель S2 – замкнут, S1 и S3 – разомкнуты (при оптимальном значении емкости фильтра С6опт, рассчитанном для заданного варианта);
- при аналогичном положении переключателей и уменьшении емкости С6 (в 1,5 – 2 раза).
6. Содержание отчета
6.1. Принципиальная схема каскада.
6.2. Результаты предварительного расчёта.
6.3. Графики амплитудно-частотных характеристик. Граничные частоты и площадь усиления для каждого случая.
6.4. Осциллограммы выходных импульсов, результаты определения времени установления и величины неравномерности вершины импульсов.
7 Контрольные вопросы
7.1. Изобразить принципиальную схему резисторного каскада на полевом транзисторе и пояснить назначение элементов схемы. Показать пути прохождения постоянных и переменных составляющих токов.
7.2. Пояснить работу полевого транзистора в схеме усилительного каскада. Как производится стабилизация режима работы?
7.3. Изобразить статические характеристики iс = f(Uзи) полевого транзистора, указать, каким образом определяется крутизна.
7.4. Изобразить эквивалентные схемы выходной цепи каскада для областей нижних, верхних частот. Пояснить причины, вызывающие частотные искажения на низких и высоких частотах.
7.5. Пояснить причины, вызывающие переходные искажения в области больших и малых времен. Объяснить форму выходных импульсов для схемы без коррекции.
7.6. Объяснить влияние корректирующих элементов на АЧХ в области низких частот.
7.7. Объяснить влияние корректирующих элементов на переходную характеристику в области больших времен.
7.8. Объяснить влияние корректирующей индуктивности L1 на АЧХ (ПХ) в области верхних частот (малых времен).
7.9. Объяснить, как влияет изменение номиналов элементов схемы на АЧХ и ПХ (Rc, Cр вых,, Сн).
7.10. Что такое площадь усиления? Как она определяется по амплитудно-частотной характеристике?7.11. Пояснить назначение и виды коррекции в каскадах широкополосного и импульсного усиления.
7.12. Объяснить отличия в форме АЧХ при емкости С5 и С6.