Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство Образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Высшее профессиональное образовательное ГОУ
Саратовский государственный технический университет
Кафедра Радиотехники
Методические указания
к выполнению учебно-исследовской
лабораторной работы
по курсам «Радиотехнические цепи и сигналы»,
«Электронные цепи и микросхемотехника»
для студентов специальностей 200700 «Радиотехника»,
200400 «Электронные приборы и устройства»
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского Государственного
Технического Университета
В 1995г.
Саратов 2008
Резонансный усилитель. Параллельный колебательный контур, АЧХ, ФЧХ, режим работы.
Объектом исследования является резонансный усилитель.
Цель работы: Исследование характеристик резонансного усилителя, работающего в линейном и в нелинейном режимах. Сравнение параметров усилителя с параллельным колебательным контуром.
В работе используются следующие приборы:
Содержание
Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов.
АЧХ – амплитудно- частотная характеристика
ОЭ – общий эмитер
ПКК – параллельный колебательный контур
РУ – резонансный усилитель
ФЧХ – фазо-частотная характеристика
С – емкость конденсатора
G – проводимость нагрузки
Ku(ιω) – коэффициент передачи по напряжению
L – индуктивность, катушка индуктивности.
R – сопротивление, резистор
Rвх – сопротивление входа
Rн – сопротивление нагрузки
Rэкв – эквивалентное сопротивление при ω=ω0
S – крутизна характеристики транзистора в рабочей точке
U – напряжение
Z – комплексное эквивалентное сопротивление
Y – комплексная проводимость
h22 – внутренняя проводимость транзистора
ω0 - собственная частота контура
ω – циклическая частота
ξ – обобщенная расстройка
f – частота
Q – добротность
Θ – угол отсечки
η – коэффициент полезного действия
P – мощность
I – ток
1. Краткая теория
Основные понятия
При усилении радиочастотных колебаний в качестве сопротивления нагрузки транзистора можно использовать параллельный колебательный контур, настроенный в резонанс с частотой усиливаемых колебаний. Такой усилитель называется резонансный.
Резонансный усилитель имеет ряд преимуществ по равнению с резисторным:
- входная ёмкость, ёмкость соединительных проводов и выходная ёмкость компенсируются настройкой контура в резонанс, поэтому сопротивление нагрузки, равное эквивалентному сопротивлению контура, может быть большим и обеспечивает и обеспечивает большое усиление (резисторный усилитель вследствие шунтирующего влияния ёмкостей на очень высоких частотах не даёт усиления).
- на сопротивлении нагрузки нет падения постоянного напряжения, поэтому сопротивление нагрузки можно выбирать очень большим.
На рис.1 приведена принципиальная схема резонансного усилителя с ОЭ. Эту схему можно заменить эквивалентной – рис.2.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА РЕЗОНАНСНОГО УСИЛИТЕЛЯ
Рис.1
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ВЫХОДНОЙ ЦЕПИ РЕЗОНАНСНОГО УСИЛИТЕЛЯ
Рис.2
Нагрузка Rн шунтирует контур. Как правило, шунтирующее действие нагрузки велико, поэтому собственными потерями в контуре можно пренебречь.
Полная проводимость нагрузки с учётом собственной проводимости h22 транзистора VT определена формулой (1)
(1)
причём G=1/Rн>>h22, и следовательно, h22 можно пренебречь:
Зная связь L и C в колебательном контуре:
(2)
(3)
Можно записать:
(4)
(5)
Тогда (4) примет вид (6):
(6)
Частотный коэффициент передачи определяется формулой (7):
(7)
По схеме видно, что:
(8)
(9)
Тогда
(10)
Подставив (6) в соотношение (10) получим:
(11)
(12)
Известно, что модуль коэффициента передачи есть – АЧХ, а функция - ФЧХ.
(13)
(14)
1.2 Резонансный усилитель в нелинейном режиме
Принципиальная схема резонансного усилителя работающего в нелинейном режиме ничем не отличается от схемы приведённой выше. На вход подаётся напряжение
Нелинейность усилителя проявляется при таком положении рабочей точки, когда коллекторный ток претерпевает отсечку и имеет форму синусоидальных импульсов.
Для коллекторного тока можно записать:
(15)
При
(16)
Тогда:
(17)
Коллекторный ток имеет широкий частотный спектр. На контуре в коллекторной цепи токи гармоник создают соответствующие напряжения. Но т.к. ,то амплитуды напряжений, кроме основной гармоники, малы. Считаем, что амплитуда усиленного сигнала равна амплитуде основной гармоники напряжения.
(18)
Разложив в ряд Фурье (17) получим амплитуды первой Im1 гармоники и постоянной составляющей:
(19)
(20)
Амплитуда коллекторного тока пропорциональна крутизне усилительной характеристике транзистора VT:
(21)
Тогда амплитуда выходного сигнала:
(22)
Коэффициент усиления тогда определяется формулой (23), (24):
(23)
(24)
Причём Ku не имеет мнимой части, что не сложно показать на основании формулы (4). Так же, можно встретить запись для коэффициента усиления:
, где
Несложно вывести формулу для расчёта КПД :
(25)
Т.е. (25) показывает зависимость КПД от угла отсечки , который определятся режимом работы.
1.3. Параллельный колебательный контур
Параллельный колебательный контур является простейшей частотно избирательной цепью. Он образован параллельно включёнными ёмкостью и индуктивностью .
Резонансная частота контура:
(27)
Характеристическое сопротивление:
(28)
Добротность контура:
(29)
Общая расстройка:
(30)
Имея схему рис. определим зависимость :
(31)
(32)
(33)
(34)
Коэффициент передачи определяется по формуле (35):
(35)
После несложных преобразований получим:
(36)
(37)
Тогда АЧХ контура определяется выражением:
(38)
а ФЧХ:
(39)
2. Экспериментальная часть.
2.1. Линейный режим работы Р.У.
2.1.1. Собрать схему. Для этого установить переключатели на стенде:
- «усилитель – контур» в положение «усилитель»
- переключатели SA2 и SA4 в положение «включено»
Подключить генератор к гнезду XS1, осциллограф к гнезду XS2 (I канал – вход), к гнезду XS3 – II канал (выход).
2.1.2. Показать схему преподавателю или лаборанту.
2.1.3. включить приборы: осциллограф, стенд, генератор. Установить резистор R4 в такое положение, когда Uвых=Uвыхmax.
2.1.4. Определить резонансную частоту. Для этого изменяя значение частоты входного сигнала, добиться max значения амплитуды выходного сигнала.
2.1.5. Изменяя частоту f от fmin до fmax входного сигнала, снять зависимость Uвых(t).
2.1.3. для значений частот п.2.1.5. снять зависимость Ф=f(t). Для этого:
а) Совместить начало периода Uвых с началом периода Uвх при частоте входного сигнала равной резонансной частоте.
б) Для f=fmin до fmax снять зависимость сдвига фаз между входным и выходным сигналами.
ПРИМЕЧАНИЕ:
Необходимо помнить, что выполняя пункт 2.1.6. (а) мы избавляемся от слагаемого в формуле (14). Это делает проще и точнее эксперимент, но при расчёте и построении ФЧХ это слагаемое необходимо учитывать!!!
2.1.7. Данные пунктов 2.1.5. – 2.1.6. занести в таблицу. По формулам (13, 14) построить зависимость АЧХ иФЧХ.
2.2. Нелинейный режим работы Р.У.
2.2.1. Установить значение частоты входного сигнала f0.
2.2.2. Снять зависимость изменяя положение резистора R4 от крайне левого в крайне правое положение.
2.2.3. По результатам 2.2.2. построить зависимость используя формулу (24)
2.2.4. Вольтметром измерить напряжение питания Uп на выходах XT4 и ХТ5.
2.3. Параллельный колебательный контур.
2.3.1. Переключить ручку переключателя «усилитель – контур» в положение контур.
2.3.2. Установить значение частоты входного сигнала f0.
2.3.3. Совместить на экране осциллографа начала периодов входного и выходного сигналов.
2.3.4. Изменяя значение частоты входного сигнала от fmin до fmax снять зависимость .
2.3.5. Изменяя значение частоты входного сигнала от fmin до fmax снять зависимость сдвига фаз между входным и выходным сигналами .
2.3.6. По результатам пунктов 2.3.4. – 2.3.5. построить АЧХ и ФЧХ, предварительно занеся данные этих пунктов в таблицы.
3.1.1. По формулам (3) рассчитать теоретическое значение и
2.1.4 По результатам пунктов 3.1.2. и 3.1.3. построить теоретические АЧХ и ФЧХ
Сравнить с полученными в п.2.1. Объяснить различия.
2.1.5. Сравнить теоретически рассчитанное и полученное в п.2.1.4. значение резонансной частоты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
Заключение должно содержать краткие выводы по результатам эксперимента, сравнение и оценка погрешностей результатов эксперимента и теоретических расчётов. Объяснение различий.
Литература
Методические указания
к выполнению учебно-исследовской
лабораторной работы
по дисциплинам «Радиотехнические цепи и сигналы»,
«Электронные цепи и микросхемотехника»
для студентов специальностей 200700 «Радиотехника»,
200400 «Электронные приборы и устройства»
Составил: СЫСУЕВ Владимир Анатольевич
Рецензент
Редактор
Корректор
Подписано в печать Формат 60 X 84 1-16
Бум.оберт. Усл.- печ. л. 1,62(1,75) Уч.- изд. л. ,1,7
Тираж экз. Заказ Бесплатно.
СГТУ, 410054, Саратов, ул.Политехническая,77.
PAGE 15