Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

Частотные характеристики

Частотные характеристики ДК характеризуются амплитудно-частотной и фазо - частотной характеристиками, которые в области средних и высоких частот совпадают с соответствующими характеристиками усилительного каскада с ОЭ (см. лабораторную работу RC усилителя). Напомним, что в области низких частот АЧХ ДК не претерпевает изменений (рис.8.1.), являясь усилителем постоянного тока из-за отсутствия разделительных конденсаторов. Время нарастания переходной характеристики (в области малых времен) ДК почти такое же, что и в простейшем усилителе с ОЭ.

Динамический диапазон

 Динамический диапазон усилителя оценивается по Uвхmax и Uвхmin:  . Минимальный сигнал ограничивается шумами, а максимальный нелинейными искажениями. Максимально допустимый сигнал можно оценить следующим образом:

  (8.6)

 Падение напряжения на коллекторном сопротивлении не превышает половины напряжения питания, если использовать критерии отсечки и насыщения транзистора. Отсюда следует, что Uвхmax не должно превышать нескольких десятков милливольт: Uвхmax =jТ. Напомним, что jТ – тепловой потенциал, равный при комнатной температуре 26 mB. Нужно сказать, что на практике амплитуды входных сигналов должны быть значительно меньше jТ: Uвх =0,5 jТ. Синфазные сигналы могут иметь гораздо большие значения, чем дифференциальные, поскольку коэффициент усиления синфазных сигналов незначительный, даже меньше единицы.

Входное и выходное сопротивления

Входное и выходное сопротивления ДК для дифференциальной и синфазной составляющих сигнала существенно различны. Для дифференциальной составляющей входное сопротивление равно удвоенному входному сопротивлению каждой половины ДК:

 Входное сопротивление можно увеличить используя либо эмиттерные повторители, либо составные транзисторы. Для синфазной составляющей входное сопротивление определяется сопротивлением Rэ или сопротивлением Ri источника стабильного тока:  - сотни и тысячи кОм.

Выходное сопротивление ДК как и в схемах усилителей с ОЭ равно примерно Rк.

Вольт- амперная характеристика

При достаточно большом Rэ (в пределе Rэ = ¥) приращения обоих эмиттерных токов будут Diэ1 = -Diэ2 (см. рис.8.2), и можно считать, что ответвление части тока  Di в сопротивление Rэ ничтожно мало. А постоянная составляющая через Rэ будет равна сумме эмиттерных токов:

,

При этом их разность (iэ1 + Diэ1) – (iэ1 - Diэ2) = - 2Diэ1 =2Diэ2. Относительное же приращение коллекторного тока будет равно:

  (8.7)

Как обычно эмиттерный ток выразим экспоненциальной функцией напряжения база–эмиттер Uбэ:  (8.8)

Напряжение база- эмиттер первого транзистора Uбэ1 = Uвх1 –Uэ, а второго транзистора Uбэ2 = Uвх2 – Uэ. При симметрии схемы Uбэ1 =  

Uбэ2 =, где Ud =Uвх1 - Uвх2 – дифференциальное напряжение. Представляя эти значения в (8.8) получим эмиттерные токи iэ1 и iэ2. Подставляя их в (8.7), имеем:

 (8.9)

При изменении аргумента от - ¥ до + ¥ гиперболический тангенс изменяется от -1 до +1. Поэтому Diк1, изменяется от  до , где I0- сумма эмиттерных токов.

 Из выражения (8.9) следует, что ДК можно использовать в качестве амплитудного ограничителя. Например, при Ud = 4jТ » 0,1 В; Diк1 =0,96 . Следовательно, при амплитуде разностого сигнала, равной примерно 0,1 В, происходит ограничение амплитуды выходного тока.

При Ud £ jТ th  и Diк1 . Т.е. при разностных сигналах, меньших 25 mB, имеет место линейная зависимость приращения коллекторного тока от разностного (дифференциального) напряжения. Кроме того, ДК можно использовать в качестве регулируемого каскада, усиление которого изменяется при изменении I0.

Описание лабораторного макета

Резистором R7установить ток истока в пределах 3-5 мА. Обозначения транзисторов модуля ОУ те же, что на рис. 8. Конденсаторы и резисторы – из модуля ТР. В скобках указаны применяемые приборы. Значения R1 – R4 измерьте до сборки схемы.

ВНИМАНИЕ! Входные емкости приборов и кабелей, подключенные непосредственно к высокочастотным транзисторам, вызывают возбуждение схемы. «Развязывающие» резисторы R5-R6 устраняют этот эффект.

Схема дифференциального усилителя приведена на рис. 8.5.

Подпись: 51 Ом

Рис.8.5 Дифференциальный усилитель на согласованных

транзисторах.

Рабочее задание

Подключить дифференциальный каскад ДК1 к источникам питания, соблюдая полярность. Закоротить оба входа на «землю», что соответствует Uвх1=Uвх2=0. Измерить режим по постоянному току (Uбэ1, Uбэ2, Uк1, Uк2, Iк1, Iк2, Iо, Uвых1-2) .

Подать на входы синфазные сигналы, для чего закоротить входы Uвх1 и Uвх2 между собой, подключить многофункциональный генератор-частотометр типа АКТОКОМ АНР 1001 (f=5кГи, Um=1-4В). Определить коэффициент усиления синфазного сигнала Кс .

Подать на ДК1 дифференциальный сигнал, для чего закоротить один из входов на «землю», а другой вход подсоединить к генератору (f=5кГц 10-30 мВ). Снять амплитудные характеристики Uвых1-2=f(Uвх1) и Uвых1=f(Uвх) при Uвх2=0, определить коэффициент усиления дифференциального сигнала Кд, коэффициент подавления синфазного сигнала Кn.

Снять амплитудно-частотную характеристику дифференциального каскада для дифференциальных сигналов, определить полосу пропускания .

Подать на Uвх1 прямоугольный сигнал, Uвх2 закоротить на землю. Зарисовать с соблюдением масштаба по осям координат входной и выходной (Uвых1,Uвых2,Uвых1-2) сигналы.

8.5 . Контрольные вопросы

Дайте определение дифференциального усилителя, объясните принцип действия, приведите принципиальную схему простейшего дифференциального каскада.

Дайте определение синфазного и дифференциального сигнала.

Приведите выражения, определяющие входное сопротивление для синфазного и дифференциального сигнала по отдельности.

Приведите выражения, определяющие коэффициенты усиления для синфазного и дифференциального сигнала.

Объясните почему в схеме ДК дрейф нуля минимален.

От чего зависит увеличение коэффициента подавления синфазного сигнала?

Что понимается под динамическим диапазоном ДК, в каких пределах должна быть амплитуда входного дифференциального и синфазного сигнала?

Приведите выражение и кривую ВАХ ДК.

Какой должна быть АЧХ ДК, сравнить её с экспериментальной кривой.

8.6 Литература

В.И.Манаев. Основы радиоэлектроники, Радио и связь, М., 1990,512 с.

В.Н.Ушаков, О.В.Долженко Электроника: от элементов до устройств, Радио и связь, М., 1993, 352 с.

Основы радиоэлектроники. Под редакцией Г.Д.Петрухина, МАИ, М., 1993, 416 с.

И.П.Степаненко. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний, М., 2000, 488 с.

А.А.Каяцкас Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М., 1988, 464 с.

А.л. Булычев, П.М. Лямин, Е.С. Тулинов. Электронные приборы, Лайт ЛТД., М., 2000, 415 с.

В.И. Нефедов. Основы радиоэлектроники. Выс. Шк., М., 2000, 399 с.

В.И.Лачин, Н.С.Савелов. Электроника. Ростов-на-Дону. «Феникс», 2009,703с.


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов