Схемотехника телекоммуникационных устройств (Исследование резисторного каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе, Исследование резисторного каскада широкополосного усилителя на полевом транзисторе, -Лабораторная работа 1-3 - Вариант 17

Лабораторная работа №1
По дисциплине: Схемотехника телекоммуникационных устройств
Исследование резисторного каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе
1. Цель работы
Исследовать влияние параметров элементов схемы каскада с эмиттерной стабилизацией на его показатели (коэффициент усиления, частотные и переходные характеристики).


2. Принципиальная схема исследуемого каскада

На схеме транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером. Необходимый режим работы и стабилизации тока коллектора обеспечивается резисторами Rб1, Rб2, Rэ. При этом делитель напряжения Rб1, Rб2 создает требуемое напряжение смещения, а Rэ предназначен для эмиттерной стабилизации постоянного коллекторного тока транзистора VT1.
Через сопротивление Rк подается постоянное питающее напряжение от источника питания на коллектор VT1, кроме того, благодаря Rк, усиленный сигнал поступает в нагрузку.
Конденсаторы Ср1 и Ср2 разделяют по постоянному току входную и выходную цепи усилителя.
Конденсатор Сэ (большой емкости) служит для устранения отрицательной обратной связи по переменному току, создаваемой резистором Rэ (для повышения коэффициента усиления). Если емкость Сэ отключить, то в схеме возникнет частотно-независимая отрицательная обратная связь по переменному току с глубиной:
Эта обратная связь существенно уменьшит коэффициент усиления на средних частотах.
Если в цепь эмиттера подключить малую емкость, то создается частотно-зависимая отрицательная обратную связь, применяемая для коррекции частотной характеристики на верхних частотах. При этом общий коэффициент усиления уменьшается (на низких и средних частотах так же, как и при частотно-независимой обратной связи). На верхних частотах Сэ сопротивление уменьшается, при этом уменьшается глубина ООС и увеличивается коэффициент усиления, компенсируя частотные искажения и значительно расширяя диапазон усиливаемых частот.
Резистор Rист эквивалентен внутреннему сопротивлению источника сигнала, а Rн является нагрузкой для усилителя. Под нагрузкой для каскада предварительного усиления понимается входное сопротивление следующего усилительного каскада. Конденсатор Сн имитирует влияние емкости нагрузки, в качестве которой может служить входная динамическая емкость транзистора следующего каскада.


3. Предварительный расчет

Таблица 1 – Исходные данные для предварительного расчета
Вариант 7
Тип транзистора KT 3102А
Параметр h21э 300
Ск, пФ 16
fh21э, МГц 2,2
rбб, Ом 135
Напряжение источника питания E0, В 19
Ток покоя транзистора iк0, мА 5,5


Лабораторная работа №2
По дисциплине: Схемотехника телекоммуникационных устройств
Исследование резисторного каскада широкополосного усилителя на полевом транзисторе
Цель работы
Исследовать влияние элементов схемы каскада широкополосного усиления на полевом транзисторе с общим истоком на его показатели (коэффициент усиления, частотные и переходные характеристики).


Расчет некорректированного каскада с общим истоком оконечного каскада

Принципиальная схема некорректированного усилительного каскада приведена на рисунке 3.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 3.1,б.
Расчет искажений, вносимых входной цепью
Принципиальная схема входной цепи каскада приведена на рисунке 3.2,а, эквивалентная схема по переменному току – на рисунке 3.2,б.
Расчет каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией

Принципиальная схема каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией приведена на рисунке 3.3,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 3.3,б.
Расчет каскада с истоковой коррекцией

Принципиальная схема каскада с истоковой коррекцией приведена на рисунке 3.4,а, эквивалентная схема по переменному току – на рисунке 3.4,б.
Расчет

Таблица 1 – Исходные данные для расчета
Вариант 7
СЗИ, пФ 27
СЗС, пФ 7
ССИ, пФ 13
RВЫХ, Ом 185
S, мА/В 235
RН, Ом 85
YB 0,78
K0 7,5
RГ, Ом 57
RЗ, МОм 1,7




Лабораторная работа №3
По дисциплине: Схемотехника телекоммуникационных устройств
Исследование интегратора и дифференциатора на основе операционного усилителя
1. Цель работы
Исследовать свойства и характеристики схем интегратора и дифференциатора на основе операционного усилителя (ОУ).


2. Исследование интегратора на основе операционного усилителя

2.1 Схема исследования
Интегратором называется устройство, выходное напряжение которого пропорционально интегралу входного сигнала (площади под кривой входного сигнала). Схема содержит входной резистор R1 и конденсатор С1, включенный в цепь обратной связи ОУ (А1).
Интегратором называется устройство, выходное напряжение которого пропорционально интегралу входного сигнала (площади под кривой входного сигнала). Схема идеального интегратора приведена на рисунке 1.

Схема содержит входной резистор R1 и конденсатор С1, включенный в цепь обратной связи ОУ (А1).
Учитывая большой собственный коэффициент усиления ОУ и глубокую отрицательную обратную связь, дифференциальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующем входами (Uд = Uвых / К) близко к нулю. Таким образом, напряжение на инвертирующем входе (в точке а) близко к напряжению нулевого потенциала, то есть является «виртуальной землей». В результате входной ток определяется только входным напряжением и резистором R1. Вследствие большого входного сопротивления ОУ практически весь входной ток протекает через конденсатор С1, заряжая его. При этом реализуется операция интегрирования.
Таким образом, для идеального интегратора:
Iвх = IОС. (1)
При этом
; . (2)

Подставляя (2) в (1) и выражая Uвых, получим выражение для выходного напряжения во временной области.
, (3)
где Т – интервал интегрирования. Величина T1 = R1C1 называется постоянной времени интегратора, определяющей скорость заряда емкости.
В реальном интеграторе (с учетом свойств реального ОУ, реальных R и С), построенном по схеме (рисунок 2) при интегрировании сигналов низких частот (в том числе сигналов постоянного тока) возникают ошибки интегрирования, связанные с зарядом емкости входными токами ОУ. В этом случае, даже при отсутствии входного сигнала конденсатор может медленно заряжаться (в пределе до напряжения питания). Это объясняется различием входных характеристик транзисторов входного дифференциального каскада. Чтобы уменьшить ошибки интегрирования, параллельно конденсатору подключают электронный ключ для периодического разряда емкости.


При интегрировании сигналов переменного тока параллельно конденсатору С1 подключается резистор обратной связи Rос, как показано на рисунке 3, выполняющий следующие функции:
- ограничение коэффициента усиления на низких частотах;
- устранение ошибки интегрирования, связанной с зарядом емкости С1 входными токами ОУ;
- уменьшение влияния напряжения смещения ОУ.
Таким образом, на низких частотах (f < fраб) схема интегратора с резистором R2 работает как инвертирующий усилитель с постоянным коэффициентом усиления. На частотах f > fраб схема выполняет функции интегратора, при этом АЧХ имеет наклон -20 дБ/дек (коэффициент передачи уменьшается на 20 дБ при каждом десятикратном изменении частоты).
Резистор R3 выступает в качестве нагрузки.
2.2 Вывод по исследованию интегратора
На нижних и средних частотах сопротивление конденсатора C1 велико (его как бы нет), ООС будет частотнонезависимой и сквозной коэффициент усиления схемы будет определяться выражением К*=R2/R1 для инвертирующего ОУ.
В области же верхних частот сопротивление конденсатора XC1 уменьшается и становится меньше R2 (XC1<R2), ООС оказывается частотнозависимой, её глубина возрастает пропорционально увеличению частоты сигнала, начиная с верхней граничной частоты fРАБ , на которой сквозной коэффициент усиления уменьшается до уровня 0,707 (на 3 дБ), при этом АЧХ имеет наклон -20 дБ/дек.
С увеличением R2 в десять раз сквозной коэффициент усиления схемы на участке f < fРАЬ увеличивается на 20 дБ, а fРАЬ уменьшается в десять раз.
При ступенчатом входном напряжении интегратора выходное напряжение пропорционально времени. В соответствии с этим механизмом будет интегрироваться и последовательность импульсов. Возникают переходные искажений в области малых времен (искажений фронта импульса), при большой постоянной времени. В результате время установления фронта импульса на выходе интегратора оказывается настолько большим, что за время импульса выходное напряжение интегратора не достигает установившегося значения.
Отличие формы сигнала от линейной при малом значении R2 объясняется замедлением разряда C1.
В данном режиме, конденсатор не успевает разрядиться и зарядиться полностью за время периода (уменьшение амплитуды) на порядок.
Вследствие большого входного сопротивления ОУ практически весь входной ток протекает через конденсатор С1, заряжая его. При этом реализуется операция интегрирования.
Десятикратное увеличение резистора обратной связи R2 приводит к десятикратному (20 дБ) увеличению коэффициента передачи на низких частотах, поскольку коэффициент передачи К=R2/R1, а fРАЬ уменьшается в десять раз. Конденсатор С1 в цепи обратной связи на низких частотах имеет большое сопротивление, не оказывающее влияния на работу ОУ. С ростом частоты сопротивление конденсатора С1 уменьшается, тем самым увеличивая отрицательную обратную связь, что в свою очередь ведет к снижению коэффициента передачи ОУ.
При исследовании переходной характеристики на экране осциллографа наблюдаем пилообразный сигнал. При ступенчатом входном напряжении выходное напряжение пропорционально времени. В соответствии с этим механизмом будет интегрироваться и последовательность импульсов. Возникают переходных искажений в области малых времен (искажений фронта импульса) при большой постоянной времени. В результате время установления фронта импульса на выходе интегратора оказывается настолько большим, что за время импульса выходное напряжение интегратора не достигает установившегося значения.
При увеличении сопротивления R2 наблюдаем более линейные фронт и спад импульса из-за замедления разряда конденсатора С1.

3. Исследование дифференциатора на основе операционного усилителя

3.1 Схема исследования
3.2 Вывод по исследования дифференциатора
С учетом элементов коррекции реальный дифференциатор будет выполнять свои функции на частотах f < fраб. На более высоких частотах сопротивление емкости С1 будет много меньше R2 и схема будет работать как обычный инвертирующий усилитель. Выбором параметров цепи ООС (C1, R1) получают требуемое значение нижней граничной частоты fРАБ. Коэффициент усиления с понижением частоты будет падать пропорционально частоте сигнала. АЧХ идеального дифференциатора имеет положительный наклон +20 дБ/дек.
Напряжение на выходе простого дифференциатора на идеальном ОУ (без R1) при поступлении на его вход ступенчатого сигнала определяется выражением:

Без замечаний!
Год сдачи: 2023 г.
Преподаватель: Бородихин М.Г.