3653 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ

Лабораторная работа № 6

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

В НЕЛИНЕЙНОМ УСИЛИТЕЛЕ

Цель работы

Исследование нелинейного транзисторного каскада с резистивной и избирательной нагрузками, режимов нелинейного резонансного усиле­ния, умножения частоты и получения амплитудной модуляции.

 

Теоретические сведения

 

Основные виды радиотехнических преобразований сигналов осущест­вляются в нелинейных цепях и устройствах. Типичным нелинейным безынерционным элементом является биполярный транзистор, работающий в диапазоне сравнительно низких частот.

На рис. 1 приведена проходная вольт-амперная характеристика транзистора, аппроксимированная двумя отрезками прямых, что весьма удобно при больших амплитудах воздейст­вующего сигнала.

Таким образом,                      (1)

На этом же рисунке показана форма коллекторного тока транзистора при напряжении на базе

uб(t) = Uб0+Uбmcoswнt.                                               (2)

Нелинейный режим работы транзистора приводит к отсечке коллекторного тока, угол отсечки q может быть найден из соотношения

сosq = (Uбн-Uб0)/Uбm .                                          (3)

Постоянная составляющая и амплитуды гармоник тока вычисляются по формулам:

Ik0 = SUбmg0(q);   Ikn = SUбmgn(q).                                        (4)

Значения функции угла отсечки (функции Берга) по первой гармонике g1(q) могут  быть найдены  из табл. 1.

Таблица 1

q 0

0

 

10

 

20

30

40

50

60

70

80

90

g1(q)

0

0,0011

0,009

0,029

0,065

0,121

0,196

0,287

0,39

0,5

Продолжение таблицы 1

q 0

100

110

120

130

140

150

160

170

180

 

g1(q)

0,61

0,713

0,804

0,879

0,935

0,971

0,991

0,999

1

 

 

 

При анализе нелинейных цепей методом угла отсечки удобно пользовать­ся параметром, называемым средней крутизной по n-й гармонике,

Sср n = Ikn/Uбm = Sgn(q),                                                (5)

 

Рис. 1. Графики, поясняющие работу транзистора в нелинейном режиме с резистивной нагрузкой

которая достигает максимальной величины при углах отсечки

qопт =1800/n; так, g1(1800) =1; g2(900) = 0,21; g3(600) = 0,07.

 

Зависимость амплитуды первой гармоники коллекторного тока от амплитуды напряжения на базе Uбm при постоянном напряжении сме­щения Uб0 называется колебательной характеристикой транзистора

.              (6)

Зависимость амплитуды Ik1 от напряжения смещения на базе Uб0 при постоянной амплитуде возбуждения Uбm называется статической модуляционной характеристикой:

.                                            (7)

Принципиальная схема нелинейного резонансного усилителя приве­дена на рис. 2. Амплитуда выходного напряжения на резонансной частоте fр

Ukm = Ik1p2Rэр =  SсрUбmр2Rэр ,                                                  (8)

где р=L2/LK- коэффициент включения контура; Rэр=´Q - эквивалентное резонансное сопротивление контура при  полном включении;   Q – добротность контура, Lk=L1+L2; fР=1/(2p).

 

Рис. 2. Принципиальная схема нелинейного усилителя

 

При этом не учитывается реакция коллекторной нагрузки (Ri>>p2Rэр). Тогда колебательная характеристика транзистора Ik1=Ik1(Uбm) и колебательная характеристика усилителя Ukm=Ukm(Uбm) совпадают с точ­ностью до постоянного множителя.

Коэффициент усиления нелинейного резонансного усилителя на резонансной частоте

Н0 = H(fP) = Ukm/Uбm = Sсрp2Rэр.                                  (9)

 

Коэффициент усиления усилителя, работающего в режиме умножения частоты,

Н0 = Sср np2Rэр , n=2,3,…                                        (10)

При этом частота входного колебания равна  fP/n.

 

Рис. 3. Принципиальная схема транзисторного усилителя с модуляцией смещением

 

Для получения AM-колебания при модуляции смещением на вход нелинейного резонансного усилителя (рис. 3) подается: а) постоянное напряжение смещения Uб0, определяющее рабочую точку; б) низкочас­тотный модулирующий сигнал UW c амплитудой UWm, управляющий изменением средней кру­тизны нелинейного элемента - транзистора; в) высокочастотное колеба­ние Uw с амплитудой Uбm и частотой wн=wp,  для которого транзис­тор может рассматриваться как элемент с переменным параметром Sср, управляемым модулирующим напряжением. Режим работы транзистора при получении гармонической модуляции смещением показан на рис. 4.

Для выбора режима работы и для оценки качества модуляции удобно использовать статическую модуляционную характеристику, которую сни­мают при UWm= 0. Ее можно рассчитать, используя метод угла отсечки, по формулам (3),(7),(8). Полученная характеристика используется для выбора режима работы модулятора. Рабочую точку Uб0 нелинейного эле­мента выбирают на середине линейного участка этой характеристики. По статической модуляционной характеристике можно определить амплитуду модулирующего напряжения, при которой искажения огибающей будут в пределах допустимого уровня.

 

 

Рис. 4. Графики, поясняющие режим работы транзисторного усилителя при получении гармонической модуляции смещением

 

Описание лабораторной установки

В сменном блоке расположены нелинейный транзисторный усилитель, нагрузку и режим которого можно изменять, и исследуемый в другой ла­бораторной работе последовательный диодный детектор.

Все элементы управления лабораторной установкой выведены на переднюю панель (рис. 5). Исследуемая схема (усилитель-модулятор или амплитудный детектор) выбирается тумблером Т2.

 

 

 

Рис.5. Передняя панель сменного блока лабораторного макета

 

При анализе нелинейного усилителя гармоническое напряжение от генератора ГЗ-33 подводится к гнездам Г1. При исследовании модулятора внешнее высокочастотное гармоническое напряжение от генератора высокой частоты (Г4-18А) подво­дится к гнездам Г1, а напряжение низкочастотного генератора (ГЗ-33) - к гнездам Г2.                                         Постоянное напряжение смещения на базе транзистора KT3I5 нелинейного усилителя (модулятора) можно изменять потенциометром Uб0. Постоянное напряжение измеряется вольтметром базового устройства с верхним пределом шкалы 2 В. В цепи эмиттера транзистора включено сопротивление 620 Ом. Характеристика транзисто­ра iK(uб), снятая в этом режиме, приведена на рис. 6.

С помощью тумблера Т1 переключается нагрузка в коллекторной це­пи транзистора: в положении 1 включается параллельный колебательный контур, в положении 2 - активное сопротивление R= 1 кОм. Переключатель Сk позволяет установить значение емкости контура, принятое при выполнении домашнего задания в соответствии с номером бригады.

Гнезда Г4 и Г5 лабораторной установки используются для подключения вольтметра и электронного осциллографа, позволяющих измерять и наблюдать напряжения в различных точках схемы. Необходимые для этого коммутации осуществляются с помощью переключателей "Вольтметр" и "Осциллограф".

Домашнее задание

Исходные данные к домашнему заданию приводятся в табл. 2.

Таблица 2

№ бриг.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ck, пол. пер.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

СК,   нФ

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,36

1,43

1,47

1,51

F,     kГц

1,8

0,9

1

1,1

1,2

1,7

1,3

1,4

1,5

1,6

Для всех бригад     Lk=0,59 мГн;   Q=30;   P=L2/Lk=0,3;   Uбm=(0,4+0,02k) В

1. Изобразить электрическую схему установки в соответствии с рис. 5. Вычислить резонансную частоту fР, полосу пропускания контура 2Df0,7 и эквивалентное резонансное сопротивление контура при непол­ном включении р2Rэр.

2. Перерисовать вольт-амперную характеристику ik=ik(uб) транзистора KT315 (рис. 6), выполнить кусочно-линейную аппроксимацию характеристики, определить напряжение отсечки Uбн и крутизну S .

3. Для заданной величины амплитуды входного сигнала Uбm рассчитать значения напряжения смещения Uб0, при которых угол отсечки коллекторного тока q = 60°, 90°, 1200, 180°. Изобразить форму ik(t) для этих углов отсечки.