Исследование влияния отрицательной обратной связи на характеристики и параметры усилительного каскада: Методические указания к лабораторной работе

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ» В.Г. Важенин, Ю...

Author: Важенин В.Г. | Марков Ю.В.

257 downloads 133 Views 545KB Size Report

This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form

DOWNLOAD PDF

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ»

В.Г. Важенин, Ю.В. Марков

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем » Научный редактор: доц., канд. техн. наук В.К. Рагозин Методическая разработка к лабораторной работе № 3 по курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств» для студентов всех форм обучения направления 552500 – Радиотехника; направления 654200 – Радиотехника: специальностей 200700 – Радиотехника; 201600 – Радиоэлектронные системы; направления 654400 – Телекоммуникации: специальностей 201200 – Средства связи с подвижными объектами; 200900 – Сети связи и системы коммутации Содержат описание целей и задач работы, описание лабораторной установки, задания на теоретическую и экспериментальную части лабораторной работы по исследованию влияния отрицательной обратной связи на параметры и характеристики усилительного каскада на биполярном транзисторе в схеме включения с ОЭ, методические рекомендации по расчету и выполнению работы, перечень вопросов для самопроверки. © ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2005 Екатеринбург 2005


Исследование влияния отрицательной обратной связи на характеристики и параметры усилительного каскада

ВВЕДЕНИЕ Цель работы Исследование влияния отрицательной обратной связи (ООС) на основные параметры и характеристики усилительного каскада при включении биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером: коэффициент усиления по направлению, амплитудную и амплитудно-частотные характеристики, граничные частоты, входное и выходное сопротивления. Краткое содержание работы 1. Изучение теоретических вопросов использования ООС для улучшения характеристик и параметров усилительных каскадов. 2. Расчет параметров и выбор элементов усилительных каскадов с ООС. 3. Оформление домашнего расчетного задания (предъявляется преподавателю каждым студентом перед работой). 4. Изучение содержания и методики экспериментального исследования усилительных каскадов с ООС. 5. Проведение экспериментальных исследований в лаборатории. 6. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований. 7. Оформление отчета по лабораторной работе (1 отчет на бригаду). 8. Индивидуальная защита отчёта по лабораторной работе.

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ 1. 1. Состав рабочего места Каждое рабочее место в лаборатории оборудовано универсальным лабораторным стендом и следующими стандартными радиоизмерительными приборами: генератор сигналов ГЗ-112, осциллограф С1-93, вольтметр постоянного и переменного тока В7-26. Рабочее место рассчитано на бригаду из 2-4 студентов. 1. 2. Описание лабораторного стенда и платы «Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ООС» к лабораторной работе № 3 Стенд является универсальным, обеспечивает весь комплекс лабораторных работ по курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств». Лабораторный стенд включает: 1. Блок питания, который обеспечивает четыре выходных напряжения: ±15 В при токе нагрузки до 0,1 А, ±6,3 В при токе нагрузки до 1 А. На задней панели стенда располагаются гнезда для контроля и регулировки напряжений источников питания. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 2 из 30


И1


генератор

осциллограф

генератор

И2

U1 U2

№ 3, 4 ∼ 0,2В 2В 20В

∼ 0,2В 2В 20В

сеть

вкл откл

Рис. 1. Общий вид лабораторного стенда

2. Блок измерителей и индикаторов (два цифровых вольтметра), обеспечивающих измерение и индикацию амплитуды сигналов на входе и выходе исследуемого устройства в двух режимах: постоянного тока и переменного тока. Индикаторы амплитуды сигналов (И1, И2) и переключатели режима измерения («~», «0,2 В», «2 В», «20 В») цифровых вольтметров установлены на передней панели лабораторного стенда (рис. 1). Измерительные входы цифровых вольтметров через соединительный разъем выведены на плату с исследуемым устройством. 3. Исследуемое устройство на съемных платах. Плата с исследуемым устройством, соответствующая номеру выполняемой лабораторной работы, вставляется в гнезда соединительного разъема. На задней панели лабораторного стенда установлены маркированные байонетные разъемы, к которым подключаются соответствующие контрольноизмерительные приборы. Измерительные входы приборов через соединительный разъем также выведены на съемную плату (рис. 1). Схема платы «Усилительного каскада на биполярном транзисторе с обратной связью» приведена на рис. 2. На плате установлен биполярный транзистор VT (КТ312Б) с потенциометром RБ (10 – 680 кОм), постоянно включенным между базой транзистора и гнездом + Eп (+15 В), а также выполнена разводка (на рис. 2 – сплошные линии, на плате – линии черного цвета). Все остальные элементы схемы, обозначенные на рисунке пунктиром (на плате – красным цветом), – ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 3 из 30



навесные, за исключением конденсатора CC1 , встроенного в плату. Навесные элементы устанавливаются на плату при сборке исследуемой схемы. К схеме подведено напряжение питания + Eп (+15 В). На плату выведены гнезда источника питания, генератора, осциллографа, внешнего вольтметра и цифровых вольтметров стенда, причем, входы внешнего вольтметра включены параллельно с входами цифровых вольтметров. ЕП +

СФ

RФ

Rб СС2

СОС

RГ/Rд

RК

VT

СС1

CН

RН СОС RОС

R

Рис. 2. Плата стенда «Усилительный каскад на биполярном транзисторе с обратной связью»

Все гнезда на макете, обозначенные ⊥, соединены с корпусом постоянно. Рекомендуется схема питания с фиксированным током базы. Возможно также включение транзистора и с фиксированным напряжением на базе транзистора. Для обеспечения требуемого линейного режима работы транзистора необходимо выставлять на коллекторе напряжение примерно Uк = Eп /2. Измерения по постоянному току можно проводить с помощью или цифровых вольтметров стенда, внешнего вольтметра, или, используя открытые входы осциллографа (предпочтителен последний вариант). Величины сопротивления в цепи коллектора Rк и сопротивления нагрузки

Rн выбираются по номеру бригады в соответствии с табл. 1. Номер стола

Таблица 1

1

2

3

4

5

6

7

8

Rк , кОм

0,75

1,1

2,2

1,3

1,8

2,0

1,6

0,82

Rн , кОм

2,0

3,8

1.2

2,7

2,2

3,3

2,5

1,8

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 4 из 30



Сопротивление источника сигнала выбирается равным Rг ( Rд ) =1 кОм. Емкости связи равны: CC1 = 47,0 мкФ; CC2 = 0,1 мкФ. Емкость нагрузки Cн = 1 нФ. Величина емкости СОС зависит от вида ООС. Емкость CC1 постоянно включена в плате, а Rг ( Rд ) , CC2 , Cн и Cос

включаются в схему при сборке усилительных каскадов. Основные параметры транзистора КТ312Б приведены в Прил. 1 .

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЗАДАНИЯ 2. 1. Нарисовать схемы испытаний для исследования усилительных каскадов в схеме с ОЭ без ООС, с ООС по току последовательного вида, с ООС по напряжению параллельного вида с учетом возможностей лабораторного стенда и опыта выполнения лабораторных работ № 1 и 2. 2. 2. Рассчитать параметры усилительного каскада в схеме о ОЭ без ООС: коэффициенты усиления по напряжению K0 и KЕ, нижние и верхние граничные частоты каскада fн и fв, сквозные fНЕ и fВЕ, входные и выходные сопротивления при Rг=1 кОм (по методике, изложенной в методических указаниях к лабораторным работам № 1 и 2 [6]). 2. 3. Рассчитать элементы цепи обратной связи усилительных каскадов в схеме с ОЭ с ООС по току последовательного вида (Rос) и с ООС по напряжению параллельного вида (Rос) при факторе обратной связи F = 3 и Rг = 1 кОм. 2. 4. Рассчитать коэффициенты усиления по напряжению K0 и KЕ, входные и выходные сопротивления (Rвх, Rвых), нижние и верхние граничные частоты (fн, fв, fНЕ и fВЕ) [1 – 5] при факторе обратной связи F = 3 и Rг = 1 кОм для случаев: а) усилительный каскад последовательного вида;

с

частотно-независимой

ООС

по

току

б) усилительный каскад с частотно-независимой ООС по напряжению параллельного вида. Все результаты расчетов свести в табл. 2 .


Стр. 5 из 30



Таблица 2 Параметры Схема

K0

KЕ

Rвх, Ом

Rвых, f , Гц кОм н

fНЕ, Гц

fв, Гц

fВЕ, Гц

Каскад без ООС Каскад с ООС по току последовательного вида Каскад с ООС по напряжению параллельного вида 2. 5. Рассчитать величины «оптимальных» емкостей Сос опт для условий оптимальной высокочастотной коррекции при Сн = 1 нФ и F = 3 (каскад с частотно-зависимой ООС по току последовательного вида). Рассчитать верхние граничные частоты при Сос= Сос опт; Сос= 2Сос опт; Сос= Сос опт/2.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЗАДАНИЯ В усилительных устройствах обратной называют связь, обеспечивающую передачу сигнала из его выходной цепи во входную. Она используется для стабилизации коэффициента усиления, уменьшения искажений усиливаемого сигнала и повышения стабильности режима работы усилительного элемента, а также для улучшения других параметров и характеристик усилителя [1 – 3]. 3. 1. Передаточная функция линейного устройства с обратной связью Представим линейное устройство упрощенной структурной схемой (рис. 3). Uвх

+

с

обратной

связью

следующей

Uвых

U1

K(jω)

Uос

β(jω)

Рис. 3. Структурная схема усилителя с обратной связью


Стр. 6 из 30



Комплексный коэффициент передачи усилителя с обратной связью Kос ( jω) можно записать следующим образом:

Kос ( jω) =

K ( jω) = Kос (ω)e− jϕ(ω) , 1 − βос ( jω) K ( jω)

где K ос ( jω) – комплексный коэффициент передачи усилителя без обратной связи;

βос(jω) – комплексный коэффициент передачи цепи обратной связи; F – фактор обратной связи.

Если на заданной частоте выполняется неравенство F = |1 − βос ( jω) K ( jω) |> 1, то введение обратной связи уменьшает модуль комплексного коэффициента передачи и, следовательно, амплитуду выходного сигнала. Такую связь называют отрицательной обратной связью (ООС). Если выполняется обратное неравенство:

F = |1 − βос ( jω) K ( jω) |< 1 , то в системе реализуется положительная обратная связь (ПОС). 3. 2. Классификация видов обратных связей

1. По принципу образования различают: − искусственную (создаваемую с помощью специальных элементов); − паразитную (возникающую главным образом из-за конструктивных несовершенств) обратные связи. 2. По глубине охвата: − общую обратную связь (соединяющую входные и выходные выводы усилительного устройства в целом); − местные обратные связи (соединяющие входные и выходные выводы одного каскада). 3. По виду зависимости | βoc ( jω) | от частоты: − активная, или частотно-независимая, ОС – βoc ( jω) = const ; − комплексная, или частотно-зависимая, ОС – βoc ( jω) ≠ const 4. По знаку активной составляющей | βoc ( jω) | – положительная и отрицательная ОС. 5. По способу снятия сигнала ОС с выхода усилительного каскада различают ОС по напряжению и по току.


Стр. 7 из 30



6. По способу подачи сигнала ОС на вход усилительного каскада различают последовательную и параллельную ОС. 7. По способу снятия с выхода и подачи на вход устройства различают четыре вида ОС: − параллельная обратная связь по напряжению (Y-типа) (см. рис. 4, а); − последовательная обратная связь по току (Z-типа) (рис. 4, б); − последовательная обратная связь по напряжению (Н-типа) (рис. 4, в); − параллельная обратная связь по току (F-типа) (рис. 4, г). 8. По степени зависимости петель ОС: − независимые местные петли ОС (рис. 5, а); − местные перекрещивающиеся петли ОС (рис. 5, б); − комбинации независимых и перекрещивающихся петель ОС (рис. 5, в). 3. 3. Параметры, характеризующие обратную связь

1. Коэффициент обратной связи:

U − по напряжению βu ос = oc ; U вых − по току

βi oc =

I oc

I вых

.

2. Петлевое усиление β&oc K&:

U& − по напряжению β&u oc K&u = oc & ; U 1

− по току

I& β&i oc K&i = oc & . I1


Стр. 8 из 30



I1

Iвх

U вых

K(jω) Iос

U вх

U1 U вх

Zн β ос(jω)

U ос

β ос(jω) б

Iвх

U вых

K(jω)

I1

K(jω)

Zн

U вх U ос

U вых Zн

a

U1

K(jω)

U вх

β ос(jω)

Iос

U вых Zн

β ос(jω)

в

г

Рис. 4. Основные способы подключения цепи обратной связи к усилителю: а – OC по напряжению параллельного вида; б – OC по току последовательного вида; в – OC по напряжению последовательного вида; г – OC по току параллельного вида.

Uвх

Uвх

K1

K2

K3

βос1

βос2

βос3

Uвых

a

K1

K2

βос1

K3

Uвых

βос2 б

Рис. 5. Многоканальные местные обратные связи: а – независимые; б – перекрещивающиеся


Стр. 9 из 30



3. Фактор (глубина) обратной связи F&= 1 − β&oc K&: − по напряжению

U&oc U&вх 1 F& = = − ; u U&вх U&1

− по току

I& I& oc . вх 1 = − F& i = I& I& 1 1

При отрицательной обратной связи βoc < 0, F > 1 . 4. Фактор обратной связи при разомкнутой цепи источника сигнала (холостой ход в цепи источника сигнала) F1 F1 = 1 + βос maxKu, где βос max – максимальный коэффициент передачи цепи ОС. 5. Фактор обратной связи при разомкнутой цепи в нагрузке (холостой ход в нагрузке) F2. F2 = 1 + βос Ku max, где Ku max – максимальный коэффициент усиления основного звена. 3. 4. Влияние обратной связи на стабильность усиления

Рассмотрим влияние ОС на стабильность коэффициента усиления на примере ООС по напряжению последовательного вида. Эта ООС вводится в усилитель, в том числе для стабилизации коэффициента усиления по напряжению. K . При этом K u ос = u (1 + βос K u ) Напомним, что если стабилизируется коэффициент усиления по напряжению, то коэффициент усиления по току дестабилизируется, и наоборот. Практически, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления усилителя с ООС, во столько же раз возрастает его стабильность. Можно получить выражение для расчета относительного коэффициента усиления усилителя при введении ЭДС: δKu ос = где δKu ос =

∆Ku ос Ku ос

; δKu =

1 1 + βu oc Ku

δKu +

βu ос Ku 1 + βu ос Ku

δβu ос ,

∆βu oc ∆Ku . ; δβu oc = Ku βu oc

∆, δ – соответственно абсолютное и относительное изменения величин.


Стр. 10 из 30



При глубокой ООС, когда βu ос Ku >> 1 , получим

δKu ос ≈

1 1 + βu ос Ku

δKu + δβu ос =

δKu + δβu ос . F

Полученное выражение показывает, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя с ООС складывается из уменьшенного в (1 + βu oc Ku ) раз относительного изменения коэффициента усиления усилителя без ОС и относительного изменения коэффициента передачи цепи ОС. Таким образом, пределом, к которому стремится стабильность Ku ос при βu oc K u → ∞ , является стабильность коэффициента передачи цепи ОС. Поэтому цепь ОС должна выполняться из высокостабильных элементов. 3. 5. Влияние обратной связи на амплитудную характеристику

Амплитудная характеристика представляет зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения. При ООС по напряжению последовательного вида, действующих на входах и выходах усилителя и цепи ОС, можно записать (рис. 4, в): Uвх = U1 + Uос, где Uвых = f(U1) – амплитудная характеристика цепи без ОС, Uoc = βu oc Uвых – амплитудная характеристика цепи ОС линейная, если цепь ОС состоит только из пассивных элементов. Uвых = f(Uвх) – амплитудная характеристика усилителя с ОС. Соотношение позволяет графически найти амплитудную характеристику усилителя с ОС по амплитудной характеристике усилителя без ОС. Для этого на одном графике, представленном на рис. 6, строятся амплитудные характеристики усилителя без ОС (сплошная линия) и цепи с ОС (пунктирная линия).

Затем

задаются

значениями

Uoc

=

βu oc Uвых

и

находят

соответствующие значения Uвх = U1 + Uос.


Стр. 11 из 30



UВЫХ АХ без ОС

АХ с ОС

АХ цепи ОС

О

UВХ

Рис. 6. Амплитудные характеристики усилительного каскада

Повторяя эту процедуру многократно, по точкам получаем искомую амплитудную характеристику усилителя с ОС (штрихпунктирная линия). Как видно из рисунка, амплитудная характеристика усилителя с ОС получается суммированием линейной характеристики цепи ОС с нелинейной характеристикой усилителя без ОС. Суммарная характеристика имеет существенно большую линейность. Это позволяет при тех же значениях выходного напряжения обеспечить меньший уровень нелинейных искажений. Приближенную количественную оценку влияния ОС на нелинейные искажения можно найти в предположении, что сам усилитель линеен, а нелинейные искажения обусловлены действием внешнего источника гармоник, амплитуда которых определяется только уровнем выходного напряжения. В этом случае нелинейные искажения уменьшаются обратной связью во столько раз, во сколько раз падает при введении ОС усиление устройства: Ku ос = Ku /(1 + βос Ku ) . Приближенность такого рассмотрения состоит в том, что не учитывается вторичное искажение сигнала гармоник при прохождении по контуру ОС. Такие же выводы можно сделать о влиянии ОС на любой источник шумов, фона и т.д. Если источник находится в цепи усилителя, охваченного ООС, то эффект от его действия на выходе усилителя уменьшается в F = (1 + βoc Ku ) раз.


Стр. 12 из 30



3. 6. Усилительный каскад на биполярном транзисторе в схеме включения с ОЭ и отрицательной обратной связью Y-типа (параллельная по напряжению)

Структурная и принципиальная схемы усилительного каскада с ОЭ при ООС по напряжению параллельного вида приведены на рис. 7. Rг

Uвх K(jω)

~

+Еп

Uвых

Eг

Rб RОС

Rн

RК

СОС

СС2

СС1

Uос

βос(jω)

RН

СН

Uвых

Uвх а б Рис. 7. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы усилительного каскада с ООС по напряжению параллельного вида

Цепь обратной связи представлена двухполюсником Rос, Соc. Для описания общих свойств данного устройства удобно пользоваться системой Y-параметров. Если [Y]K – матрица Y-параметров усилительного каскада без – матрица Y-параметров цепи ОС, то матрица Y-параметров ОС, [Yос ] β oc

усилительного устройства, охваченного ОС, равна:

[Y ]Kос = [Y ]K + [Y ] βoc =

y11

y12

y21

y22

+

y11 ос

y12oc

y21oc

y22oc

≈

y11

y12oc

y21

y22

,

y11ос = − y12ос = − y21ос = y22ос = 1/ Roc ,

y11 >> y11ос ; y21 >> y21ос ; y22 >> y22ос ; y12ос >> y12 . В табл. 3 приведены выражения для основных параметров усилительного каскада без обратной связи и с ОС.


Стр. 13 из 30



Таблица 3 Параметр

Ku

Без ОС ( y12ос = 0 ) y21 22 + yн

y11 y22

Yвых

KE

y21 22 + yн

−y

Yвх

Ki

С ООС

Ku Ku

y11 + yг

yвх ос = yвх F1

y11 + y12 ос Ku yвх + yг

Ku

Ku

yвых ос = yвых F2

y21 y12 ос

y22 −

yн y11 yг

Kuос = Ku

−y

yн yвх

K iос =

Ki F2

yг

K Eос =

K F

yвх + yг

Величина факторов обратной связи F1 и F2, используемых в табл. 3, определяется следующим образом: F1 = 1 + βос max Ku = 1 + SR0

Rвх тр Rвх тр + Rос

F2 = 1 + βос Ku max = 1 + SRK

,

R 'вх , R 'вх + Rос

где S – крутизна транзистора;

R0 = Ri || Rк || Rн ≈ Rк Rн /( Rк + Rн ); Rвх тр = h11э = rб + rэ (1 + β); ' Rвх = Rвх тр P Rг = Rвх тр Rг /( Rвх тр + Rг ),

где RГ = 1 кОм – сопротивление источника сигнала. Следует иметь в виду, что ООС влияет на те параметры и характеристики усилителя, которые определяются элементами каскада, охваченными петлей ОС. В данной лабораторной работе исследуется случай частотно-независимой ООС. Для схемы, приведенной на рис. 7, это обеспечивается выбором величины емкости связи Сос из следующего условия:

X oc = ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

1 > Ri , Roc >> Rx , Roc >> Rн .

Далее находим величины факторов ООС F1, F2. Согласно выражениям, приведенным в табл. 3, вычисляем: − коэффициент усиления каскада, охваченного ООС, равен коэффициенту усиления каскада без ООС: K u ос = K u ;

− сквозной коэффициент усиления каскада с ООС: K E ос = K E / F ;


Стр. 15 из 30



− входное сопротивление каскада:

Rвх ос = Rвх / F2 ; − выходное сопротивление каскада: Rвых ос = Rвых / F1.

На рис. 8 приведены ожидаемые амплитудно-частотные характеристики усилительного каскада для Ku (а) и KЕ (б) без ООС и с ООС. Постоянная времени данного каскада в области верхних частот для сквозной АЧХ равна: τ ВЕ ос = τ ВЕ / F ,

а верхняя граничная частота: f ВЕ ос = f ВЕ F .

Постоянная времени каскада в области нижних частот τHE и соответственно нижняя граничная частота f HE также изменяются в F раз при условии, что источник низкочастотных искажений (СС2) находится внутри петли ОС, а именно: τ HE ос = τ HE F , f HE ос = f HE / F . KE

Ku Ku= Ku ос 1,2 0,7 Ku

KE

1

0,7 KE 2

KE ос 0,7 KE ос f fн= fн ос

fв= fв ос

а

fНЕ ос

fВЕ

fНЕ

б

fВЕ ос

f

Рис. 8. Амплитудно-частотные характеристики каскада (а – Ku, б – KЕ) без ООС (1) и с ООС по напряжению параллельного вида (2)


Стр. 16 из 30



3. 7. Усилительный каскад на биполярном транзисторе в схеме включения с ОЭ и отрицательной обратной связью Z-типа (последовательная по току)

Структурная и принципиальная схемы усилительного каскада в схеме с ОЭ при ООС по току последовательного вида приведены на рис. 9. ЕП RГ

UBX K(jω)

UBЫX

Rб

RК

ZН

~

СС2 СС1

EГ

RН

UOC βОС(jω)

СН

UВЫХ

UВХ RОС

а

б

Рис. 9. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы усилительного каскада с ООС по току последовательного вида

Обратная связь в данной схеме обеспечивается резистором Rос. Напряжение ОС Uос пропорционально току, протекающему через нагрузку и транзистор. Для описания общих свойств данной схемы удобно пользоваться системой Z-параметров. Если [Z]K – матрица Z-параметров усилительного – матрица Z-параметров цепи ОС, то матрица Zкаскада без ОС, [ Z ос ] βoc

параметров усилительного каскада, охваченного ОС по току последовательного вида, равна: [ Z ]Kос = [ Z ]K + [ Z ос ]βoc =

Z11 Z 21

Z12 Z11ос + Z 22 Z 21 ос

Z12 ос Z 22 ос

≈

Z11 Z 21

Z12 ос Z 22

Для данной схемы имеем: Z11ос = Z12 ос = Z 21ос = Z 22 ос = Roc .

Используя метод четырехполюсников, согласно выражениям, приведенным в [1], [2], можно вычислить все основные параметры усилительного каскада.


Стр. 17 из 30



Анализ усилительного каскада с ООС по току последовательного вида можно так же провести и методом физических эквивалентных схем, используя выражения, приведенные в [1], [2]. Для данного усилительного каскада (рис. 9) можем записать следующие выражения:

U1 = Uвх – Uос, Uвых = (Uвх – Uос)Ku; Uос = IэRос = UвыхRос /R0, где K0 = KЛKР.(КЛ+КР). Коэффициент усиления каскада с ООС по току последовательного вида равен: K&u U& K&u ос = вых = , 1 + β& K& U& вх

u oc u

где β&u oc – коэффициент передачи цепи ОС. В лабораторной работе задан фактор ОС F = 3. Для анализа каскада необходимо вычислить коэффициент передачи цепи ОС и соответственно величину сопротивления ОС: F −1 F −1 β&u oc = ; Roc ≈ . S Ku

Входное сопротивление усилительного каскада с ООС равно:

Rвх ос = Rвх тр + Roc (1 + β) , где β =25÷100= 25 ⋅ 100 = 50 . Постоянные времени усилительного каскада с ООС по току последовательного вида в области нижних и верхних частот, а также граничные частоты вычисляются, используя соответствующие выражения, приведенные в [1], [2], но с учетом параметров данного каскада (Rвх, Rвых). 3. 8. Усилительный каскад с частотно-зависимой ООС по току последовательного вида

При помощи частотно-зависимой ООС по току последовательного вида (ООС Z-типа) может проводиться коррекция АЧХ усилительного каскада. Для усилительного каскада с ОЭ элементами коррекции являются резистор Rос и конденсатор Cос (рис. 10, а). Данный вид коррекции, также называемый


Стр. 18 из 30



эмиттерной коррекцией, позволяет расширить полосу пропускания усилительного каскада в области верхних частот (эмиттерная высокочастотная коррекция). Ее достоинства – простота, малогабаритность, эффективность, стабилизация режима работы активных элементов и параметров усилительного каскада, увеличение входного сопротивления. Недостаток – уменьшение коэффициента усиления в области средних частот. Элементы коррекции Rос, Cос создают в каскаде частотно-зависимую отрицательную обратную связь, глубина которой уменьшается с ростом частоты, что ведет к относительному возрастанию коэффициента усиления, росту верхней граничной частоты и появлению подъема в частотной характеристике в области высоких частот (рис. 10, в), уменьшению времени установления и появлению подъема в переходной характеристике (рис. 10, г). Типовые величины:

Rос – десятки Ом, Cос – десятки пФ – десятки нФ, в зависимости от диапазона частот и остальных элементов схемы усилительного каскада.

Рис.10. Каскад с эмиттерной высокочастотной коррекцией: а – принципиальная схема, б – эквивалентная схема, в – семейство частотных и г – семейство переходных характеристик: 1. Cос = Cос opt; 2. Cос > Cос opt; 3. Cос < Cос opt; 4. Cос = 0; 5. Cос= ∞.


Стр. 19 из 30



Физическая эквивалентная схема каскада (рис. 10, б) показывает, что с 1 ростом частоты за счет уменьшения сопротивления X Сос = возрастает jωCос доля входного напряжения, выделяющаяся на эмиттерном переходе (Uп), и соответственно растет ток в выходной цепи Iк=SпUп, где Sп – внутренняя крутизна транзистора:

Sп =

dI к α = . dU п rэ

Рассмотрим свойства каскада с коррекцией, показанного на рис. 10, а, для случая, когда в нем использован транзистор с хорошими частотными свойствами [1, 2]. При этом во всем частотном диапазоне выполняется условие

fs>>f, и крутизна транзистора имеет вещественное значение S, a Ms(f) = l. Схемное построение рис. 10, а является каскадом с ОЭ, в котором в качестве цепи Z использовано параллельное соединение Rос и конденсатора Cос, т.е. Z = Rос 1 + jωτос , где τос = RосCос – постоянная времени корректирующей цепи. В каскадах OЭ коэффициент усиления:

K ( jω) =

1 + jωτос SR0 1 = K0 , (3. 1) 1 + jωτв 1 + SRос (1 + jωτос ) (1 + jωτв ) (1 + jωτос / F0 )

где K 0 = SR0 1 + SRос – номинальный коэффициент усиления; R0 = Rк P Rн ; F0 = 1 + SRос – глубина обратной связи или параметр, характеризующий относительное уменьшение номинального коэффициента усиления, вызванное введением в общий (заземляющий) провод транзистора резистора Rос. Нормированная АЧХ, соответствующая соотношению (3.1): 1 + ( mF0 ) X 2 K 2 (ω) , M ( ω) = = K 02 1 + 1 + m2 X 2 + m2 X 4 2

2

(

)

(3. 2)

где m = τос τв F0 – коэффициент коррекции; X = ωτв – нормированная частота, τв = Cвых R0 – постоянная времени усилительного каскада без ООС; R0 ; Rк P Rн ; Cвых = Cвых 0 + Cп + Cм . Согласно (3.2) и принципу Брауде оптимально плоской частотной характеристике отвечает значение параметра коррекции mопт , являющееся решением уравнения: 2 2 mопт F02 = 1 + mопт ,

(3. 3)

mопт = 1

(3. 4)

т.е.


F02 − 1 .

Стр. 20 из 30



Этому значению коэффициента оптимальной коррекции соответствует постоянная времени оптимальной коррекции: τос опт = τв

1 − 1 F02 .

mопт (3. 5)

При большой постоянной времени корректирующей цепи, когда τос > τос опт нормированная АЧХ каскада имеет подъем. При малых значениях этой постоянной времени, когда τос < τос опт , площадь усиления меньше исходной, соответствующей Rос = 0. Применение эмиттерной коррекции в условиях τос = τос опт (при m = mопт ) не приводит к изменению площади усиления, так как в этих условиях введение в схему каскада цепи, состоящей из Rос и Cос, сопровождается уменьшением номинального коэффициента усиления K0 в (1+g21Rос) раз и одновременным увеличением в такое же число раз верхней границы полосы пропускания fв. Семейство графиков нормированной АЧХ для случая применения высокочастотной коррекции, осуществляемой за счет обратной связи, приведено на рис. 11. Построение графиков выполнено при различных значениях параметров F0 и m', где m ' = τв F0 τос ( F0 − 1) = 1 m ( F0 − 1) .

(3. 6)

Рис. 11. Семейство графиков нормированной АЧХ для случая применениявысокочастотной коррекции


Стр. 21 из 30



Расчет условий оптимальной коррекции для усилительного каскада в схеме с ОЭ рекомендуется проводить следующим образом. При заданном значении фактора глубины обратной связи F и расчетных для каждого конкретного варианта усилительного каскада без ООС постоянной времени в области верхних частот τв и сопротивления ООС по току последовательного вида Rос , используя выражения (3.3), (3.4.) и (3.5), находятся значения коэффициента оптимальной коррекции mопт , постоянная времени цепи обратной связи τос опт , величина оптимальной емкости в цепи ООС Сос опт = τос опт Rос . Используя семейство графиков АЧХ, приведенных на рис. 11, при заданной глубине обратной связи F0 и расчетном согласно (3. 6) значении m' находится граничная нормированная частота в области верхних частот X в (по уровню 0,7) и вычисляется граничная частота усилительного каскада Fв = X в τв . Сос

Граничная частота вычисляется также и при оптимальной коррекции = Сос опт , Сос = Сос опт / 2, Сос = 2Сос опт .


Стр. 22 из 30



4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ЗАДАНИЯ 4. 1. Собрать схему усилительного каскада в схеме с ОЭ без ООС при Rг(Rд) =1 кОм, Сн = 1000 пФ, СС2 = 0,1 мкФ, Rк и Rн – согласно табл. 1. Снять амплитудную характеристику каскада. Измерить K0, KE, fНЕ, fВЕ, Rвх. 4. 2. Собрать схему усилительного каскада в схеме с ОЭ и с ООС по току последовательного вида при факторе обратной связи F = 3, Rг = 1 кОм, Сн = 1000 пФ, СС2 = 0,1 мкФ, Rк и Rн – согласно табл. 1. Снять амплитудную и амплитудно-частотную характеристики каскада. Измерить K 0ос , K E ос , f HE ос , f BE ос , Rвх ос . 4. 3. Собрать схему усилительного каскада в схеме с ОЭ и с ООС по напряжению параллельного вида при факторе обратной связи F = 3, Rг = 1 кОм, Сн = 1000 пФ, Сос=1 мкФ, СС2 = 0,1 мкФ, Rк и Rн – согласно табл. 1. Снять амплитудную характеристику. Измерить K 0ос , K E ос , f HE ос , f BE ос , Rвх ос . 4. 4. Собрать схему усилительного каскада в схеме с ОЭ с высокочастотной коррекцией (ООС по току последовательного вида) при F = 3, Rг = 1 кОм, Сн = 1 нФ, СС2 = 0,1 мкФ, Rк и Rн – согласно табл. 1. Снять сквозную амплитудно-частотную характеристику в области средних и верхних частот при Cос = Cос опт; Cос > Cос опт; Cос < Cос опт. Снять переходные характеристики усилителя с высокочастотной эмиттерной коррекцией в области малых времен (формы переднего фронта выходного импульса при τи = 10 мкс) при условиях, заданных в п.3. 4.

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Методики снятия амплитудной, амплитудно-частотной и переходной характеристик, а также измерения коэффициентов усиления по напряжению, входного и выходного сопротивлений, граничных частот подробно описаны в методических указаниях к лабораторным работам № 1 и 2 [7]. При снятии переходной характеристики можно использовать генератор импульсов, установить частоту повторения 20 кГц. При возникновении трудностей измерения переходной характеристики усилителя в области малых времен увеличить масштаб развертки осциллографа. Амплитудные и амплитудно-частотные характеристики должны быть построены на одном графике и в одном масштабе системы координат. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 23 из 30



6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ Отчет по лабораторной работе должен включать: 1. Титульный лист. 2. Цель работы, используемую аппаратуру, исходные данные. 3. Принципиальные схемы исследуемых усилительных каскадов с указанием подключаемых измерительных приборов. 4. Эквивалентные схемы, расчетные соотношения и результаты расчета, (табл. 2). 5. Сводные таблицы расчетных и экспериментальных данных (на основе табл. 2). 6. Амплитудные, амплитудно-частотные и переходные характеристики усилительных каскадов без ОС и с ООС. Амплитудные и амплитудночастотные характеристики должны быть построены на одном графике и в одном масштабе системы координат. 7. Оценку погрешности измерения K 0 , K E , f HE , f BE , Rвх . 8. Выводы по работе, включающие сравнение результатов расчета и экспериментов.

7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Дайте определение усилителя с ОС. Какая ОС называется положительной, отрицательной, внутренней, внешней, комплексной, активной? 2. Как определяется вид ООС: по току или по напряжению, последовательная или параллельная? 3. Укажите, как ООС влияет на коэффициент усиления усилителя по току и напряжению? 4. Какие требования предъявляются к цепи ОС? 5. Поясните механизм повышения стабильности коэффициента усиления при введении ООС. 6. Как влияет ООС на входное и выходное сопротивления усилителя? 7. Как влияет ООС на амплитудную характеристику усилителя? 8. Как влияет ООС на частотные и переходные искажения в усилителе? 9. Изобразите принципиальную схему усилителя с ООС по току и поясните, как выразить фактор ОС через элементы схемы. 10. Изобразите принципиальную схему усилителя с ООС по напряжению и запишите выражение для фактора ОС через элементы схемы. 11. Поясните, как влияет внутреннее сопротивление источника сигнала на свойства каскада при ОС по току, по напряжению. 12. Поясните, в чем будут различаться параметры усилителя в случае, если разделительный конденсатор СС2 входит в петлю ОС или не входит в нее. 13. С помощью каких элементов усилителя с ОС образуется частотнозависимая, частотно-независимая и нелинейная ОС? ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 24 из 30



14. При каких типах ООС стабилизируется выходной ток, при каких – входное напряжение? 15. Что представляет собой повторитель напряжения, какой вид ОС в них используется, где и для каких целей они используются? 16. Какой физический смысл понятий: коэффициент петлевого усиления, фактор ОС, глубина ОС? 17. Что является причиной появления ОС в однокаскадных усилителях на верхних частотах? 18. Какие элементы схемы и как оказывает влияние на формирование АЧХ усилителя в области нижних частот? Какие изменения при этом претерпевает переходная характеристика усилителя? 19. Каковы цели высокочастотной коррекции в широкополосных усилителях? 20. Поясните принципы, которые используются при построении схем усилительных каскадов с коррекцией? 21. Нарисуйте схему усилителя с эмиттерной высокочастотной коррекцией. Поясните ее достоинства и недостатки. 22. Какие имеются способы для увеличения площади усиления транзисторного каскада? 23. Нарисуйте семейство частотных характеристик усилителя с эмиттерной высокочастотной коррекцией, поясните их зависимость от величины элементов схемы. 24. Нарисуйте семейство переходных характеристик усилителя с эмиттерной высокочастотной коррекцией, поясните их зависимость от величины элементов схемы.


Стр. 25 из 30



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Павлов В.П. Схемотехника аналоговых электронных устройств / В.П. Павлов, В.Н. Ногин. М.: Радио и связь, 1997, 2001. 2. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства / В.Н. Ногин. М.: Радио и связь, 1990. 3. Остапенко Г.С. Усилительные устройства / Г.С. Остапенко. М.: Радио и связь. 1989, 400 с. 4. Проектирование усилительных устройств: учеб. пособие / под ред. М.В. Терпугова, М.: Высшая школа, 1982. 190 с. 6. Усилительные устройства. Сборник задач и упражнений: учеб. пособие для вузов / А.Г. Алексеев, Н.В. Войшвилло, И.А. Трискало, под ред. Г.В. Войшвилло. М.: Радио и связь, 1986. 160 с. 7. Важенин В.Г. Исследование усилительных каскадов при различных схемах включения транзистора: методические указания к лабораторным работам № 1 и 2 по курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств» / В.Г. Важенин, Екатеринбург: УГТУ, 2000. 36 с.


Стр. 26 из 30



Приложение 1 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА КТ312Б

1. Паспортные параметры: Транзистор кремниевый планарный n-p-n структуры. Коэффициент усиления тока базы β = 25-100 (при I к = 20 мА, U к = 2 В). Модуль коэффициента передачи тока не менее 6 (при I к = 5 мА, U к = 10 В, f = 20 МГц, fT = 120 МГц). Входное сопротивление h11 = 400 Ом (при I к = 5 мА, U к = 5 В). э

Выходная проводимость h22 = 6·10-5 Сим (при I к = 5 мА, U к = 5 В). э

Емкость коллектора Ск ≤ 5 пФ (при U к = 10 В, f = 107 Гц). Сопротивление базы rб = 1,5 τ Cк =150 Ом. 2. Зависимость параметров от режима транзистора: I к пасп . Входное сопротивление h11 = h11 пасп э э Iк Iк . Крутизна S = S пасп I к пасп Емкость коллекторного перехода Ск = Ск пасп

U к пасп Uк

.

3. Расчетные параметры: Емкость эмиттерного перехода Cэ =

1 , ωт = 2πf т . ωт rэ

26 [Ом] . I к [mA] r r (1 + β) Собственная постоянная времени транзистора τ = (Cэ + Ск ) б э . h11

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rэ =

э

Входная емкость транзистора Свх = Сэ + Ск (1 + Ku ) , где Ku – коэффициент усиления транзистора в каскаде по напряжению. Выходная емкость транзистора Свых =Ск (1 + Srб ) .


Стр. 27 из 30



Приложение 2 Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ» Радиотехнический институт-РТФ Кафедра радиоэлектроники информационных систем Лаборатория «Аналоговая обработка сигналов»

ОТЧЕТ по лабораторной работе №3 «Исследование влияния отрицательной обратной связи на характеристики и параметры усилительного каскада»

Группа Р-394 Студент Иванов Н.И. (подпись) (дата)

Преподаватель Петров П.П. (отметка о зачете) (подпись) (дата)

Екатеринбург 2005 ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Стр. 28 из 30



ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ ..2 1. Описание лабораторной установки ............................................................... 2 1. 1. Состав рабочего места ................................................................................ 2 1. 2. Описание лабораторного стенда и платы «Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ООС» к лабораторной работе № 3 .............................. 2 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЗАДАНИЯ ....................................................... 5 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЗАДАНИЯ .................................................................. 6 3. 1. Передаточная функция линейного устройства с обратной связью ....... 6 3. 2. Классификация видов обратных связей.................................................... 7 3. 3. Параметры, характеризующие обратную связь ....................................... 8 3. 4. Влияние обратной связи на стабильность усиления ............................. 10 3. 5. Влияние обратной связи на амплитудную характеристику.................. 11 3. 6. Усилительный каскад на биполярном транзисторе в схеме включения с ОЭ и отрицательной обратной связью Y-типа (параллельная по напряжению) 13 3. 7. Усилительный каскад на биполярном транзисторе в схеме включения с ОЭ и отрицательной обратной связью Z-типа (последовательная по току)..... 17 3. 8. Усилительный каскад с частотно-зависимой ООС по току последовательного вида............................................................................................ 18 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ЗАДАНИЯ......................................... 23 5. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ...................................................... 23 6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ .................... 24 7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ .......................................................... 24 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................. 26 Приложение 1 ............................................................................................ 27 Приложение 2 ............................................................................................ 28 ОГЛАВЛЕНИЕ .................................................................................................. 29


Стр. 29 из 30

Учебное электронное текстовое издание

Важенин Владимир Григорьевич Марков Юрий Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Редактор Компьютерная верстка

К.Б. Позднякова Н.В. Лутова

Рекомендовано РИС ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Разрешен к публикации 20.12.05. Электронный формат – PDF Формат 60х90 1/8 Издательство ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: [email protected] Информационный портал ГОУ ВПО УГТУ-УПИ http://www.ustu.ru

Исследование влияния отрицательной обратной связи на характеристики и параметры усилительного каскада: Методические указания к лабораторной работе

Recommend Documents