ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО

УСИЛИТЕЛЯ

Целью работы является исследование широкополосного импульсного усилителя с корректирующими цепями, позволяющими улучшить его амплитудно-частотную характеристику.

Рис. 4.1

Основные положения. При усилении широкополосных сигналов (к ним относятся и импульсные, ширина спектра которых обратно пропорциональна длительности импульса) важной задачей является сохранение соотношений между амплитудами гармоник в спектре, а значит, и формы сигнала в функции времени. В частности, искажения формы прямоугольных видеоимпульсов характеризуют длительностью фронтов импульса (τф) и спадом его вершины (рис. 4.1). Длительность фронта, приобретаемого импульсом при прохождении через усилитель, обратно пропорциональна верхней граничной частоте амплитудно-частотной характеристики усилителя τф = 0,35/fв.гр. Спад вершины импульса ΔU в процентах от его амплитуды Um связан с нижней граничной частотой fн.гр, а также с длительностью импульса на входе усилителя (τи) формулой ΔU/ Um(%) = = 628 τи fн.гр. Очевидно, что во многих случаях необходимо откорректировать имеющуюся АЧХ, понизить fн.гр и увеличить fв.гр.

Коррекция (исправление) АЧХ усилителя осуществляется с помощью внесения в его схему дополнительных элементов.

Низкочастотная коррекция (НЧК) осуществляется разделением RK – коллекторного сопротивления (рис. 4.2) на два: RK1 и RK2. Средняя точка делителя через емкость Cф соединяется с землей. На низких частотах Cф представляет собой большое сопротивление, и ее можно не учитывать при определении коэффициента усиления схемы, который определяется суммой сопротивлений в цепи коллектора и равен KU = S(Rк1 + Rк2). На высоких частотах Cф превращается в короткое замыкание и шунтирует Rк2, поэтому коэффициент усиления снижается и равен KU = SRк1.

Cф выполняет также функцию фильтра, не допускающего переменный сигнал в источник питания и через него – в другие каскады электронного устройства (именно поэтому емкость помечена индексом «ф»).

Высокочастотная коррекция осуществляется двумя различными способами. Во-первых, последовательно с Rк ставят катушку индуктивности L (рис. 4.3).

 

Такой способ называется индуктивной высокочастотной коррекцией (ИВЧК). В этом случае при любом значении индуктивности коэффициент усиления схемы возрастает с ростом частоты, так как

KU = S = S .

При более тонком подборе значения L можно «организовать» резонанс между индуктивностью и паразитной емкостью на частоте, при которой начинается спад АЧХ.

Резонансный контур должен быть параллельным, что в действительности имеет место и может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному току (рис. 4.4). Недостатком ИВЧК является наличие в схеме элемента, габариты которого заметно крупнее остальных, а именно катушки индуктивности.

Второй способ высокочастотной коррекции – эмиттерная (ЭВЧК) не предусматривает введение в схему (схема некорректированного усилителя изображена на рис. 2.1) дополнительных элементов. При этом существенно уменьшается значение емкости Cэ. Независимо от своего значения эта емкость не шунтирует Rэ на инфранизких частотах температурного дрейфа, поэтому механизм термостабилизации не нарушается. Но маленькая Cэ (при малых значениях ее уже не принято называть блокировочной) не шунтирует Rэ и на низких и средних частотах сигнала, при этом KU снижается.

Только на высоких частотах Cэ закорачивает эмиттерное сопротивление и коэффициент усиления начинает возрастать – как раз тогда, когда в силу других причин он снижается. ЭВЧК из-за отсутствия индуктивности находит все более широкое применение, хотя обладает существенным недостатком – уменьшением KU усилителя на низких и средних частотах.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меандра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель макета приведена на рис. 4.5. С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы коррекции. Кроме собственно усилителя на транзисторе VT1 в макет входит также эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT2.

 

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Исследовать амплитудно-частотную характеристику усилителя при введении различных схем коррекции:

а) собрать схему, в которой коррекция отсутствует;

б) измерить амплитудно-частотную характеристику схемы в диапазоне частот 20 Гц…2 МГц. Определить нижнюю и верхнюю граничные частоты (fгр) схемы, исходя из условия K(fгр) ≈ 0,7 [max K(f)];

в) повторить измерение при введении сопротивления R3;

г) повторить измерение при введении эмиттерной высокочастотной коррекции в диапазоне 20 Гц…2 МГц;

д) повторить измерение при введении индуктивной высокочастотной коррекции в диапазоне частот 20 кГц…2 МГц;

е) повторить измерение при введении низкочастотной коррекции в диапазоне частот 20 Гц…20 кГц.

3. Исследование влияния различных схем коррекции на форму прямоугольных импульсов:

а) собрать схему, в которой коррекция отсутствует;

б) переключить генератор в режим формирования меандра. Установить период следования импульсов от 3 до 5 мс, зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму импульсов на выходе усилителя;

в) ввести низкочастотную коррекцию и снова зарисовать или сфотографировать форму импульсов;

г) установить длительность импульсов, вырабатываемых генератором от 8 до 10 мкс. Собрать схему, в которой коррекция отсутствует, зарисовать или сфотографировать с экрана осциллографа форму импульсов на выходе усилителя;

д) ввести индуктивную высокочастотную коррекцию и снова зарисовать или сфотографировать форму импульсов.

е) повторить измерение п. 3,д при введении эмиттерной высокочастотной коррекции (ИВЧК при этом устранить).

4. Рассчитать значения τф и ΔU/ Um (%), исходя из измеренных при выполнении п. 2 нижних и верхних граничных частот.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Схемы усилителя при различных видах коррекции.

3. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–4 (графики амплитудно- частотной характеристики, значения fгр, зарисовки формы импульсов, измеренные и расчетные значения длительностей фронтов и спадов вершины импульсов).

4. Выводы.

 

Лабораторная работа № 5