СибГУТИ, схемотехника телекоммуникационных устройств (лабораторные работы)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

“Исследование резисторного каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе”

Для заданной схемы, в соответствии с исходными данными, указанными в таблице 1, рассчитать следующие параметры усилителя:

- коэффициент усиления по напряжению, сквозной коэффициент усиления каскада;

- коэффициент частотных искажений каскада на частоте 100Гц, обусловленной влиянием емкости в цепи эмиттера С_э (С5) и разделительных конденсаторов С_{р вх} (С1) и С_{р вых} (С2). Определить общий коэффициент частотных искажений, вносимых этими элементами. При этом учесть, что выходное сопротивление транзистора значительно больше сопротивления в цепи коллектора R4;

- коэффициент частотных искажений М_в на частоте 100кГц, обусловленной динамической емкостью С_{бэ дин} транзистора и емкостью нагрузки С_н (С3). Определить общий коэффициент частотных искажений, вносимых этими элементами.

- время установления переднего фронта прямоугольного импульса малой длительности (t_и = 5мкс). При этом считать, что переходные искажения в области малых времен определяется выходной цепью каскада:

- относительный спад плоской вершины прямоугольного импульса большой длительности (t_и = 5000мкс) вследствие влияния разделительных емкостей.

Исходные данные для предварительного расчета: транзистор типа KT3102А с параметрами: h_21э=185, С_{бэ дин}=1,8нФ, f_h21э=1,5МГц, r_б¢б = 50 Ом; напряжение источника питания  E_п=15В, ток покоя транзистора i_к0=18,6мА.

Варианты значений входной (С1) и выходной (С2) разделительной емкости, а также емкости нагрузки С3, указанные в таблице 1, выбираются по последней цифре пароля.

Таблица 1 – Варианты значений емкостей

Задание для исследования

Для данного усилительного каскада представляет интерес решение трех основных задач:

1. Исследование амплитудно-частотных (ЛАЧХ) характеристик усилителя с целью исследования влияния реактивных элементов:

- без учета влияния отрицательной обратной связи по переменному току (при включении большой емкости в цепь эмиттера) при номинальных значениях компонентов;

- без учета влияния отрицательной обратной связи по переменному току при уменьшении С_р2  и увеличении С_н (примерно в 2 раза);

- с частотно-независимой обратной связью (без подключения емкостей в цепи эмиттера транзистора);

- с частотно-зависимой обратной связью (при включении малой емкости эмиттера, на несколько порядков меньше номинальной (например, С_э = 4нФ), являющейся элементом высокочастотной коррекции).

В отчете необходимо привести (либо качественно, выполненные вручную, либо с применением программ компьютерного моделирования) все четыре АЧХ, изображенные для сравнения на одном графике. Отметить, как изменился коэффициент усиления на средних частотах К(f_ср) и как изменились граничные частоты при допустимых частотных искажениях Мн = Мв = 1,41 (3дБ). Объяснить результаты исследования.

2. Исследовать переходную характеристику каскада в области малых времен (t_и = 5 мкс).

Объяснить причины и механизм возникновения  переходных искажений импульсов малой длительности. Какие элементы схемы вносят эти искажения?

В отчете необходимо привести (либо качественно, либо с применением программ компьютерного моделирования) переходные характеристики для следующих вариантов:

- без учета влияния отрицательной обратной связи по переменному току (при включении большой емкости в цепь эмиттера) при номинальных значениях элементов схемы (указанных в таблице 1);

- без учета влияния отрицательной обратной связи по переменному току при увеличении С_н (примерно в 2 раза);

- с частотно-зависимой обратной связью (при включении малой емкости эмиттера, на несколько порядков меньше номинальной (например, С_э = 4нФ), являющейся элементом высокочастотной коррекции) при номинальных значениях элементов схемы (указанных в таблице 1)..

Все три переходные характеристики необходимо для сравнения изобразить на одном графике. Отметить, как изменилась амплитуда импульса и показать, как изменилось время установления импульса. Объяснить результаты экспериментов.

Под временем установления (t_уст), характеризующего длительность (крутизну) переднего фронта, понимается интервал времени, за напряжение возрастет от уровня 0.1U_уст, до на уровня 0.9U_уст, где U_уст – установившееся значение, под которым понимается значение напряжения в конце импульса.

3. Исследовать переходную характеристику каскада в области больших времен (t_и = 2 мс = 2000 мкс).

Объяснить причины и механизм возникновения  переходных искажений импульсов малой длительности. Какие элементы схемы вносят эти искажения?

В отчете необходимо изобразить (либо качественно, либо с применением программ компьютерного моделирования) переходные характеристики для следующих вариантов:

- без учета влияния отрицательной обратной связи по переменному току (при включении большой емкости в цепь эмиттера) при номинальных значениях компонентов;

- без учета влияния отрицательной обратной связи по переменному току при уменьшении С_р2 (примерно в 2 раза);

- при частотно-независимой обратной связи (при отключении Сэ) при номинальных значениях элементов схемы (указанных в таблице 1).

Все три переходные характеристики необходимо для сравнения изобразить на одном графике. Отметить, как изменилась амплитуда импульса и показать, как изменился относительный спад вершины импульса. Объяснить результаты экспериментов.

Под относительным спадом понимается отношение изменения напряжения за время длительности импульса к начальному размаху напряжения.

Содержание отчета

1. Принципиальная схема исследуемого каскада.

2. Результаты предварительного расчета.

3. Графики амплитудно-частотных характеристик.

4. Осциллограммы выходного импульсного сигнала (для области малых и больших времен), результаты измерений переходных искажений.

5. Выводы по результатам измерений, сравнение с результатами расчетов. Под выводами понимается сравнение результатов и объяснение механизма влияния компонентов схемы на АЧХ и ПХ.

6. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Изобразить упрощенную эквивалентную схему транзистора для широкой полосы частот в системе физических параметров. Объяснить частотные свойства транзистора.

2. Изобразить эквивалентные схемы входной и выходной цепи резисторного каскада усиления для широкой полосы частот. Преобразовать схему для области нижних, средних и верхних частот.

3. По эквивалентной схеме выходной цепи резисторного каскада усиления для области нижних частот объяснить причины частотных и переходных искажений.

4. По эквивалентной схеме выходной цепи резисторного каскада усиления для области верхних частот объяснить причины частотных и переходных искажений.

5. Изобразить переходные характеристики резисторного каскада усиления в области больших и малых времен. Объяснить причины переходных искажений. Какими параметрами они оцениваются?

6. Объяснить действие большой емкости в цепи эмиттера на частотную характеристику.

7. Объяснить действие большой емкости в цепи эмиттера на переходную характеристику.

8. Объяснить действие эмиттерной высокочастотной коррекции с помощью малой емкости в цепи эмиттера на частотную характеристику.

9. Объяснить действие эмиттерной высокочастотной коррекции с помощью малой емкости в цепи эмиттера на переходную характеристику.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

«Исследование резисторного каскада широкополостного усилителя на полевомтранзисторе»

Выполнить предварительный расчет к лабораторной работе: используя данные принципиальной схемы, рассчитать оптимальные значения L и Сф для получения максимально плоской формы АЧХ в области граничных частот (fв и fн). Варианты значений выходной разделительной емкости (С_р2) и емкости нагрузки С_н, указанные в таблице 10.2, выбираются по последней цифре пароля.

Таблица 2 – Варианты значений емкостей

Задание для исследования

1. Исследовать амплитудно-частотные характеристики.

Исследовать следующие варианты АЧХ усилительного каскада.

а) Для схемы без коррекции:

- при отключенной емкости фильтра и отсутствие индуктивности (L = 0);

- при подключении большой емкости фильтра (например, С_ф = 100мкФ).

В последнем случае большая емкость фильтра (С_ф) фактически шунтирует сопротивление R_ф по переменному току, уменьшая общее сопротивление в стоковой цепи транзистора. Уменьшение активного сопротивления нагрузки уменьшает коэффициент усиления, но расширяет частотный диапазон. Определите, как это скажется на площади усиления.

В отчете необходимо привести (либо качественно, либо с применением программ компьютерного моделирования) эти две АЧХ, изображенные для сравнения на одном графике. Отметить, как изменился коэффициент усиления на средних частотах К(f_ср) и как это отразилось на площади усиления. Объяснить результаты экспериментов.

б) Для схемы с низкочастотной (С_ф, R_ф) и высокочастотной (L) – коррекцией:

- при наличие корректирующих элементов, указанных на схеме;

- при оптимальных значениях емкости С_ф.опт и индуктивности L_опт.

Привести (либо качественно, либо с применением программ компьютерного моделирования) эти две АЧХ, изображенные для сравнения на одном графике. Отметить, как изменилась форма АЧХ и как это отразилось на площади усиления. Объяснить результаты экспериментов.

2. Исследовать переходную характеристику каскада в области малых времен (t_и = 5 мкс).

Исследовать следующие варианты переходной характеристики:

-  при отключенной емкости фильтра и отсутствие индуктивности (L = 0);

-  при подключении большой емкости фильтра (например, С_ф = 100мкФ).

-  с коррекцией при номинальном значении корректирующей индуктивности;

-   с коррекцией при оптимальном значении индуктивности L_опт, рассчитанном для заданного варианта.

Привести (либо качественно, либо с применением программ компьютерного моделирования) все четыре переходные характеристики, изображенные для сравнения на одном графике. Отметить, как изменилась форма ПХ и как это отразилось на времени установления импульса малой длительности. Объяснить результаты экспериментов.

3. Исследовать переходную характеристику каскада для области больших времен (t_и = 5000 мкс).

Исследовать следующие варианты переходной характеристики:

- при отключенной емкости фильтра и отсутствие индуктивности (L = 0);

- при подключении большой емкости фильтра (например, С_ф = 100мкФ).

- с коррекцией при номинальных значениях элементов НЧ-коррекции (С_ф R_ф);

- с коррекцией при оптимальном значении емкости фильтра С_ф.опт, рассчитанном для заданного варианта.

Привести (либо качественно, либо с применением программ компьютерного моделирования) все четыре переходные характеристики, изображенные для сравнения на одном графике. Отметить, как изменилась форма ПХ и как это отразилось на относительном спаде вершины импульса большой длительности. Объяснить результаты экспериментов.

Содержание отчета

1. Принципиальная схема каскада.

2. Результаты предварительного расчёта.

3. Графики амплитудно-частотных характеристик.

4. Осциллограммы выходных импульсов малой длительности.

5. Осциллограммы выходных импульсов большой длительности.

6. Выводы по работе (анализ влияния элементов на коэффициенты усиления, граничные частоты, площади усиления, t_уст, D_общ) для различных вариантов параметров и объяснение механизма работы цепей коррекции.

7. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Изобразить эквивалентные схемы выходной цепи каскада для областей нижних, верхних частот. Пояснить причины, вызывающие частотные искажения на низких и высоких частотах.

2. Пояснить причины, вызывающие переходные искажения в области больших и малых времен. Объяснить форму выходных импульсов для схемы без коррекции.

3. Объяснить влияние корректирующих элементов на АЧХ в области низких частот.

4. Объяснить влияние корректирующих элементов на переходную характеристику в области больших времен.

5. Объяснить влияние корректирующей индуктивности L₁ на АЧХ (ПХ) в области верхних частот (малых времен).

.6. Объяснить, как влияет изменение номиналов элементов схемы на АЧХ и ПХ (R_c, C_{р вых,}, С_н).

7. Что такое площадь усиления? Как она определяется по амплитудно-частотной характеристике?

8. Пояснить назначение и виды коррекции в каскадах широкополосного и импульсного усиления.

9. Объяснить отличия в форме АЧХ при емкости С5 и С6.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

«Исследование интегратора и дифференциатора на основе операционного усилителя»

Задание для исследования

1. Исследовать свойства интегратора, изображенного на рисунке 5, считая операционный усилитель, R и С идеальными элементами. Пояснить влияние сопротивления обратной связи R2 на логарифмическую амплитудно-частотную характеристику схемы интегратора. Для этого рассмотреть следующие варианты:

- сопротивление R2 отключено (R2 = ∞);

- R2 = 100 кОм;

- R2 = 10 кОм.

При выполнении отчета все три логарифмические АЧХ (путем теоретического обоснования или применения программ компьютерного моделирования) изобразить для сравнения на одном графике. Отметить, как изменился коэффициент усиления на низких частотах, а также рабочая частота интегратора (минимальная частота, на которой интегратор сохраняет свои свойства). Объяснить результаты экспериментов.

2. Пояснить влияние сопротивления обратной связи R2 на переходную характеристику схемы интегратора, Для этого рассмотреть следующие варианты:

- сопротивление R1 отключено (R1 = 0);

- R1 = 100 кОм;

- R2 = 10 кОм.

При выполнении отчета все три переходные характеристики изобразить для сравнения на одном графике. Отметить, как изменилась форма выходного сигнала при подаче на вход двух периодов прямоугольного сигнала.  Объяснить результаты экспериментов.

3. Исследовать логарифмические амплитудно-частотные характеристики схемы дифференциатора (рис.7). Для этого рассмотреть следующие варианты:

- сопротивление R1 отключено (R1 = 0);

- сопротивление R1 включено (R1 = 1 кОм);

- сопротивление R1 включено (R1 = 10 кОм);

При выполнении отчета все три логарифмические АЧХ изобразить для сравнения на одном графике. Отметить, как изменился коэффициент усиления на верхних частотах, а также рабочая частота дифференциатора (максимальная частота, на которой дифференциатор сохраняет свои свойства). Объяснить результаты экспериментов.

4. Пояснить влияние сопротивления R1 на переходную характеристику схемы дифференциатора. Для этого рассмотреть следующие варианты:

- сопротивление R1 отключено (R1 = 0);

- сопротивление R1 включено (R1 = 10 кОм);

При выполнении отчета переходные характеристики (качественно или с использованием программ компьютерного моделирования) изобразить на разных графиках. Отметить, как изменилась форма выходного сигнала.  Объяснить результаты экспериментов.

Содержание отчета

1. Принципиальные схемы интегратора и дифференциатора на ОУ.

2. Логарифмические амплитудно-частотные характеристики и значения рабочих частот интегратора и дифференциатора.

3. Переходные характеристики интегратора и дифференциатора для различных вариантов схем.

3. Выводы по проделанной работе.

4. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Назначение интегратора (дифференциатора).

2. Привести передаточную функцию интегратора (дифференциатора).

3. Типовая частотная характеристика идеального интегратора (дифференциатора).

4. Как изменится частотная характеристика интегратора (дифференциатора) с учетом корректирующих элементов?

5. Почему инвертирующий вход ОУ с обратной связью называют «виртуальной землей»?

6. Вывести выражения для выходного напряжения идеального интегратора (дифференциатора) во временной области

7. Переходная характеристика при подаче на вход скачкообразного или периодического импульсного сигнала (для схем интегратора и дифференциатора).

8. Методы уменьшения погрешности интегрирования для схемы на реальных ОУ.

9. Способы повышения устойчивости работы дифференциатора на реальном ОУ.

10. Перечислить свойства идеального операционного усилителя.