Усилитель переменного тока на транзисторе
На базе транзистора 2N2222A, рассмотренного ранее, можно соз- дать усилитель переменного тока (рис. 1.19). В данном усилителе тран- зистор включен по схеме с общим эмиттером.
На входе и выходе усилителя для отсечки постоянной составляю-
щей включены конденсаторы ёмкостью 5 мкФ.
Рабочая точка ВАХ транзистора обеспечивается резистивным де-
лителем напряжения. Сопротивления резисторов делителя предвари- тельно рассчитываются [1], либо подбираются так, чтобы нелинейные искажения выходного сигнала были минимальны.
В цепь эмиттера
включено сопротивление 50 Ом, обеспечиваю-
щее стабилизацию рабочей точки.
Рис. 1.19
По переменному току эмиттер транзистора через шунтирующий конденсатор 50 мкФ подключается к общей точке. Сопротивление на- грузки составляет 100 кОм – усилитель работает в режиме холостого хода. Напряжение питания усилителя составляет 12 В. На вход усили- теля с функционального генератора Function Generator подаётся гармо- нический сигнал с амплитудой 20 мВ и частотой 10 кГц (рис.
1.20). Частота входного сигнала в дальнейшем будет меняться.
Рис. 1.20
Построитель частотных характеристик Bode Plotter имеет четыре вывода – две клеммы для входного сигнала In и две клеммы для выход-
ного сигнала Out. Bode Plotter позволяет получить амплитудно- частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики усилителя. По АЧХ возможно определить верхнюю и нижнюю границы полосы
пропускания и среднегеометрическую частоту полосы пропускания.
Диалоговое окно Bode Plotter приведено на рис. 1.21.
Рис. 1.21
Включим кнопку Magnitude для построения АЧХ. По вертикали (Vertical) и по горизонтали (Horizontal) установим логарифмическую шкалу (Log). Пределы по вертикали следующие: I = -20 дБ (dB) – нижний предел и F = - 50 дБ – верхний предел. Пределы по го- ризонтали следующие: I = 10 Гц (Hz) – нижний предел и F = 10 ГГц (GHz) – верхний предел. Установим движок в точке с координатами
40.97 дБ и 432.9 кГц. Примем эту точку за среднюю в полосе пропуска-
ния. На границе полосы пропускания амплитуда выходного сигнала снизится на 3 дБ или в 1.414 раза и составит
40.97-3=37.97 дБ.
Перемещая движок от средней точки влево до тех пор, пока ам-
плитуда выходного сигнала не примет значение 37.97 дБ найдём ниж-
нюю частоту полосы пропускания.
ветствуют две точки:
1) 37.79 дБ и 1.874 кГц;
2) 38.18 дБ и 2.074 кГц.
Величине
37.97 дБ наиболее соот-
Величины абсолютных
отклонений составят соответственно
∆A1= 37.97-37.79=0.18 дБ и
∆A2= 37.97-38.18=0.21 дБ . Принимаем
первую точку с координатами
Aнижн = 37.79 дБ и
Fнижн = 1.874 кГц в
качестве нижней границы полосы пропускания усилителя переменного
тока, так как
∆A1 < ∆A2 .
Перемещая движок от средней точки вправо до тех пор, пока ам-
плитуда выходного сигнала не примет значение 37.97 дБ найдём верх- нюю частоту полосы пропускания. Величине 37.97 дБ наиболее соот- ветствуют две точки:
1) 37.56 дБ и 81.11 МГц;
2) 38.06 дБ и 72.67 МГц.
Величины абсолютных отклонений составят соответственно
∆A3=37.97-37.56=0.41 дБ и
∆A4= 37.97-38.06=0.09 дБ . Принимаем
точку с координатами
Aверхн = 38.06 дБ и
fверхн = 72.67 МГц
в качест-
ве верхней границы полосы пропускания
усилителя переменного
тока,
так как
∆A4 < ∆A3 .
Среднегеометрическая частота полосы пропускания усилителя
переменного тока определяется как
fср =
fнижн ⋅ fверхн .
Подставив численные значения определённые ранее рассчитаем
3 6 3
fср =
1.874 ⋅10
⋅ 72.67 ⋅10
= 369 ⋅10 Гц = 369 кГц .
В диалоговом окне устройства BodePlotter
включаем фазо-
частотную характеристику (ФЧХ) с помощью кнопки Phase (рис. 1.22).
Рис. 1.22
На нижней границе полосы пропускания при частоте
fнижн = 1.874 кГц
выходной гармонический сигнал отстаёт по фазе от
входного на величину
ϕнижн = −135° . На верхней границе полосы про-
пускания при частоте
ет ϕверхн = − 230.7° .
fверхн = 72.67 МГц
отставание по фазе составля-
АЧХ и ФЧХ усилителя переменного тока (УПТ) возможно сохра- нить в отдельный файл, а затем построить в другой программе, напри- мер в программе Excel. В диалоговом окне Bode Plotter необходимо на- жать кнопку Save (Сохранить). Появится диалоговое окно Save Bode Data (рис. 1.23), где необходимо выбрать
1) путь, например c:\temp,
2) имя файла, например OE_upt.bod.
Рис. 1.23
У сохранённого файла необходимо изменить расширение на *.xls, а затем загрузить файл с помощью Excel. Далее в главе 6 раздела 3 при- ведена методика построения логарифмической АЧХ в программе Excel. На рис. 1.24 – 1.26 приведены характеристики УПТ, построенные в Ex- cel.
Коэффициент усиления УПТ по
лить как
напряжению kU
можно опреде-
| U |
= Uвых.д
= Uвых ,
Uвх.а
Uвх.д
Uвх
где
Uвых.а , Uвых.д , Uвых
– амплитудное, действующее и среднее
значения выходного гармонического сигнала (напряжения) УПТ;
Рис. 1.24. Логарифмическая АЧХ УПТ, построенная в Excel
Рис. 1.25. АЧХ УПТ, построенная в Excel
Рис. 1.26. ФЧХ УПТ, построенная в Excel
Uвх.а , Uвх.д, Uвх
– амплитудное, действующее и среднее значения
входного гармонического сигнала УПТ.
Коэффициент усиления kU
является безразмерным, т. е. измеря-
ется в относительных единицах. Зависимость коэффициента усиления
kUУПТ от частоты fявляется амплитудно-частотной характеристикой
kU( f). Коэффициент усиления УПТ
LU, выраженный в децибелах (дБ
или dB) можно выразить через kU
следующим образом
LU= 20lgkU.
Откроем диалоговое окно построителя частотных характеристик
Bode Plotter (рис. 1.27). Включим кнопку Magnitude. В подразделе Verti- cal включим линейную шкалу Lin. Пределы по вертикали следующие:
I=0 – нижний предел, F=500 – верхний предел. В подразделе Horizontal включим логарифмическую шкалу Log. Пределы такие же как предла- гаются по умолчанию (рис. 1.27). Данная характеристика является зави-
симостью
kU( f)
или АЧХ УПТ в безразмерных единицах.
Рис. 1.27
На нижней границе полосы пропускания УПТ при
f=1.874 кГц
коэффициент усиления
kU= 77.5
(рис. 1.27). На верхней границе поло-
сы пропускания УПТ при
f= 72.67 МГц
коэффициент усиления
kU= 80.1. При среднегеометрической частоте полосы пропускания
f = 369 кГц
коэффициент усиления kU
= 112 .
С помощью построителя частотных характеристик BodePlotter
выше определены параметры
kU, LU,
fср,
fнижн,
fверхн . Эти параметры
УПТ можно получить и при помощи осциллографа (Oscilloscope).
В диалоговом окне функционального генератора FunctionGen-
erator выставим параметры входного гармонического сигнала (напря-
жения): амплитуду
1.28).
U вх.а = 20 мВ
и частоту
f =1.9 кГц ≈
fнижн
(рис.
Рис. 1.28
Диалоговое окно осциллографа представлено на рис. 1.29.
Рис. 1.29
Как видно из рис. 1.29 осциллограф имеет два движка.
Первый движок
установим в такой
момент времени
( T1 = 22.2435 мс ), когда входной сигнал принимает наибольшее (ампли-
тудное) значение
VA1 =Uвх.а =19.8274 мВ ≈ 20 мВ .
Значения VA1
и T1
индицируются в первом окне.
Второй движок установим в момент времени
T2 = 22.4409 мс , ко-
гда выходной сигнал принимает наибольшее (амплитудное) значение
VB2 =Uвых.а =1.4615 В .
Значения VB2
и T2
индицируются во втором окне.
Коэффициент усиления УПТ по напряжению kU
на частоте
fн = 1.9 кГц
зом
по показаниям осциллографа рассчитаем следующим обра-
k = Uвых.а
= VB2 =
1.4615
= 73.711
U Uвх.а
VA1 19.8274 ⋅10−3
Вычислим коэффициент усиления УПТ в децибелах на частоте
fн = 1.9 кГц
по показаниям осциллографа
LU= 20 lg73.711 = 37.351
Отставание по фазе выходного сигнала УПТ относительно вход-
ного на частоте
fн = 1.9 кГц
по показаниям осциллографа рассчитаем
следующим образом
T2 −T1
(22.4409 − 22.2435)⋅10−3
ϕ =− 1
fн
⋅ 360 = −
1.9 ⋅103
⋅ 360 = − 135.022°
Необходимо отметить, что параметры
kU, LU
и ϕ , измеренные и
вычисленные с помощью инструментов Bode Plotter и Oscilloscope при-
мерно совпадают, а расхождения обусловлены дискретностью числовых величин, задаваемых в генераторе Functional Generator и индицируе-
мых в инструментах Bode Plotter и Oscilloscope.
По вышеописанной процедуре можно с помощью осциллографа
(Oscilloscope) вычислить параметры
частоте полосы пропускания УПТ
kU, LU
и ϕ на верхней граничной
fверхн = 72.67 МГц
и на среднегеометрической частоте полосы пропускания
fср = 369 кГц .
Дата добавления: 2016-04-02; просмотров: 2365;