Исследование резонансного транзисторного ВЧ усилителя мощности

Лабораторная работа № 2

По курсу

«Устройства генерирования и формирования сигналов»

Исследование резонансного транзисторного ВЧ усилителя мощности

(Методические указания, описание и программа работы)

 

 

Санкт-Петербург 2012
Министерство образования и науки Российской Федерации

▬ ▬ ▬ ▬

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬

 

А.Я. Сергеев В.Г. Токмаков М.А. Уткин

 

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО

ТРАНЗИСТОРНОГО ВЧ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

 

Лабораторный практикум

 

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

УДК 621.396.61

 

Сергеев А.Я., Токмаков В.Г., Уткин М.А. Исследование резонансного транзисторного ВЧ усилителя мощности. Методические указания, описание и программа учебной лабораторной работы. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 26 с.

 

Лабораторная работа по курсу «Устройства генерирования и формирования сигналов» предназначена для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникации».

Табл. 2. Ил. 8. Библиогр.: 2 назв.

Печатается по решению радакционно-издателького совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

 

© Сергеев А.Я., Токмаков В.Г., Уткин М.А., 2012

© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2012

Содержание

 

1. Цель и задачи работы...…………………………………………………5

2. Общие положения...…………………………………………………….6

3. Описание лабораторной установки…………………………………...14

4. Программа работы (предварительный расчёт и порядок выполнения)…………………………………………………………….16

5. Содержание отчёта………………………………….………………….19

6. Техника безопасности при выполнении работы………...…………...19

7. Библиографический список…………………………………………...20

8. Приложение 1. Порядок расчёта режима транзисторов……………..21

9. Приложение 2. Порядок расчёта коллекторной цепи………………..24

 

 

Цели и задачи работы

 

1.1. Расширить знания о работе мощного транзистора в схеме усилителя мощности с общим эмиттером и резонансной нагрузкой. Изучить особенности изменения формы его коллекторного тока на различных частотах и влияние на неё внутреннего сопротивления источника сигнала и индуктивности эмиттерного вывода, а также влияние этих факторов на энергетические параметры усилителя.

 

1.2. Приобрести практические навыки расчёта транзисторного усилителя с резонансной нагрузкой на повышенных частотах, а также навыки наблюдения измерения токов и напряжений в схеме и определения энергетических показателей усилителя.

 

 

Общие положения

Типовая схема резонансного ВЧ усилителя мощности УМ на биполярных транзисторах представлена на рис. 1.

 

Рис. 1.

 

В приведенной выше схеме транзистор включен по схеме с ОЭ. Это позволяет получить большее усиление по мощности, чем в схеме с ОБ.

В отличие от лампового ВЧ усилителя, транзисторный имеет малые входное и выходное сопротивления, что предопределяет особенности построения его входной и выходной согласующих цепей. В узкополосном усилителе (рис.1) в качестве согласующих цепей, как правило, используются П - контуры (C1, L1, C2 и C3, L2, C4), обеспечивающие лучшую фильтрацию гармоник и необходимую полосу пропускания, чем обычные LC контуры с неполным включением. Элементы согласующих цепей частично образуются входными и выходными реактивностями транзистора. Напряжения коллекторного питания Ек и базового смещения Еб подаются через дроссели Др2 и Др1. Емкости Ср1 и Ср2 являются разделительными.

Работа усилителя в значительной степени зависит от вида подключенных к нему источника входного ВЧ сигнала и нагрузки.

Работу транзисторного УМ на относительно низких частотах удобно проанализировать (и проделать предварительные базовые расчёты), по кусочно-линейно аппроксимированным характеристикам транзистора (рис.2).

 

Рис. 2.

На рис. 2 представлена проходная i_k = i_k(e_б) и выходные i_k = i_k(e_k) характеристики. Жирной линией на рис. 2 показана динамическая характеристика транзистора.

Проходная характеристика имеет следующие особенности. При

Е_Б = Е'_Б = 0.7 В ток коллектора равен нулю. Где: Е'_Б - напряжение отсечки коллекторного тока.

При больших значениях (е_б > Е'_Б зависимость i_K=f(е_б) практически линейна, и может быть охарактеризована крутизной S.

При этом:

i_K = S(e_б - Е'_Б)

 

Характерным для выходных характеристик является наличие трех областей:

а) область отсечки - при этом переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в обратном направлении;

б) активная область - ток коллектора управляется током базы и практически не зависит от напряжения на коллекторе;

в) область насыщения - оба перехода транзистора смещены в прямом направлении. Линия, разделяющая активную область и область насыщения, называется линией граничного режима с крутизной Sгр.

При этом:

i_K = S_ГР ∙ e_K

 

Величины S и Sгр являются параметрами транзистора и обычно приводятся в справочных данных.

Усилитель мощности характеризуется следующими основными показателями:

- Р₁ - выходная мощность (первой гармоники) сигнала;

 

P₁= ,

 

где - коэффициент Берга по первой гармонике при данном угле отсечки Θ,

φ - угол сдвига между первой гармоникой тока и выходным напряжением,

P_к = P₀ – P₁

 

- Р₀ - мощность, потребляемая транзистором от источника питания;

- Р_к - мощность рассеиваемая транзистором;

- η = P₁/P₀ – КПД;

 

η =

 

где: ,

- K_Р - коэффициент усиления по мощности;

 

K_Р=

 

Также как и в ламповых усилителях в зависимости от угла отсечки (Θ ), различают следующие классы режимов работы транзистора: А, АВ, В, С.

Требования к выбору угла отсечки, (который определяется как половина длительности импульса коллекторного тока) противоречивы: для увеличения КПД угол отсечки следует уменьшать, а для получения наибольшей мощности первой гармоники - увеличивать. В большинстве случаев в выходных каскадах транзисторных усилителей мощности используют режим В (Θ =90°).

Режимы работы транзистора разделяют и по степени напряженности (величине ). Если в процессе колебаний рабочая точка всегда находится в активной области, то транзистор работает в недонапряжённом режиме. При попадании рабочей точки в течение части периода колебаний в область насыщения - режим работы транзистора перенапряженный. Если рабочая точка, перемещаясь по активной области, в какой-то момент времени оказывается на линии граничных режимов, то это граничный режим. Для граничного режима характерны максимальная колебательная мощность и близкий к максимальному КПД.

При расчете усилителя на транзисторе необходимо учитывать зависимость параметров KJIA характеристик от температуры.

 

t⁰n= t⁰_ср+ (R_ТПК+R_ТКР+R_РПС)P_К,

Где: t⁰n - температура коллекторного перехода, практически равная температуре кристалла транзистора.

t⁰_ср- температура окружающей среды;

R_ТПК - тепловое сопротивление переход-корпус транзистора;

R_ТКР - тепловое сопротивление корпус-радиатор;

R_РПС - тепловое сопротивление радиатор-среда.

Определение параметров КЛА при повышенной температуре коллекторного перехода производится по формулам:

 

S(t⁰n)=S₀[1+ (t⁰n - 20^°)],

 

где S₀ - значение параметра при температуре 20^°С;

= 0.01;

 

E'_Б(t⁰n)=E'_БО– K_Т(t⁰n - 20^°);

 

где E'_БО- значение параметра при температуре 20^°С; К_Т = 2мВ /^°С.

 

Существенное отличие работы транзисторного усилителя от лампового, состоит в сильной зависимости его энергетических показателей от частоты. В первую очередь это обусловлено зависимостью крутизны от частоты:

Ṡ = ,

где f_s - частота, на которой модуль S уменьшается в раз по сравнению со своим низкочастотным значением S (Рис 3).

Рис 3. Зависимость S и от частоты.

 

На этом же рисунке показана зависимость коэффициента передачи тока от частоты (f). Зависимость крутизны S от частоты, при переходе на высокую частоту, ведёт к уменьшению амплитуды сигнала и фазовому сдвигу по отношению к низкочастотному варианту. Например: на частоте f_s амплитуда падает в раз а фаза запаздывает на 45^°. Кроме того, т.к. УМ работает в режиме с отсечкой коллекторного тока, то во входной цепи возникают переходные процессы [1]. Это дополнительно искажает форму импульса и ведёт к его расширению, так что он должен характеризоваться не низкочастотным углом отсечки Θ _Н, а углом отсечки Θ _В > Θ _Н. Это иллюстрируется осциллограммами лабораторного макета, рисунком 4 и графиками рис.5

Рис 4. Импульс коллекторного тока транзистора на повышенных частотах.

 

Индуктивность в цепи эмиттера (L_Э) увеличивает постоянную времени входного сигнала, что эквивалентно уменьшению f_S. Особенно отчётливо это явление проявляется при R_Г → 0. Включение в цепь эмиттера дополнительной индуктивности (L'_Э), которое предусмотрено в работе, уменьшает частоту f_S (ухудшает частотные свойства) в соответствии с выражением:

f '_S= ,

где L_Э и L'_Эсоответственно собственная и дополнительная индуктивности в цепи эмиттера, что приводит на фиксированной частоте к дополнительному расширению импульса, т.е. к увеличению угла отсечки Θ _В.

 

 

Рис 5. Зависимость высокочастотного угла отсечки от частоты.

 

Переход от Θ _Н к Θ _В и наоборот производится по графику (рис 5).

 

Рис.6 Форма импульса коллекторного тока.

 

На рис. 6 показана зависимость формы коллекторного тока от сопротивления источника питания. Видно, что при некоторой величине R_Г=R'_Г, вследствие изменений постоянных времени открытого и закрытого состояния транзистора, переходные процессы будут отсутствовать и импульс коллекторного тока получится неискажённый (кривая 2).

Выполните дома

4.1. Изучите материал, изложенный в разделе " Общие положения" и рекомендуемую литературу.

4.2. Рассчитайте усилитель на заданную мощность Р=10....30 Вт в граничном режиме. Частоту установите 200 кГц. Мощность спросите у преподавателя. Установите напряжение источника коллекторного питания Ек равное 22 В, граничный режим работы входной цепи усилителя, угол отсечки Θ _В = 90^°, температуру окружающей среды tcp=20^°C. Методика расчёта усилителя и параметры используемого в нём транзистора приведены в Приложении, п.1.

4.3. Для заданной частоты рассчитайте С'_к, С" _к, С_СВ . Порядок расчёта и исходные данные приведены в Приложении, п.2.

 

Выполняется в лаборатории

4.3.2. Рассчитайте на компьютере значения С'_к, С" _к, С_СВ по имеющейся в лаборатории программе, для заданной частоты. Результаты расчёта сверьте с полученными дома.

4.4. Перед началом работы ознакомьтесь с расположением всех элементов установки и органами регулировки, с которыми придётся иметь дело при проведении исследований.

 

Содержание отчёта

 

1. Результаты расчётов.

2. Результаты измерений.

3. Анализ полученных экспериментальных данных и сопоставление их с результатами работы.

4. Формы наблюдаемых токов и напряжений в виде рисунков или фото с экрана осциллографа.

5. Выводы по особенностям работы ВЧ усилителя мощности на биполярном транзисторе в сравнении с ламповым.

 

 

Библиографический список

1. Радиопередающие устройства. Под ред В.В. Шахгильдяна. - М: Радио и связь, 2003.

2. Сергеев А.Я., Уткин М.А. Расчет транзисторного ВЧ усилителя мощности. Под ред. З.И. Моделя. - Л.: Изд-во ЛПИ, 1977.

 

Приложение 1

Приложение 2

Лабораторная работа № 2

По курсу

«Устройства генерирования и формирования сигналов»

Исследование резонансного транзисторного ВЧ усилителя мощности

(Методические указания, описание и программа работы)

 

 

Санкт-Петербург 2012
Министерство образования и науки Российской Федерации

▬ ▬ ▬ ▬

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬ ▬

 

А.Я. Сергеев В.Г. Токмаков М.А. Уткин

 

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО

ТРАНЗИСТОРНОГО ВЧ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

 

Лабораторный практикум

 

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

УДК 621.396.61

 

Сергеев А.Я., Токмаков В.Г., Уткин М.А. Исследование резонансного транзисторного ВЧ усилителя мощности. Методические указания, описание и программа учебной лабораторной работы. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 26 с.

 

Лабораторная работа по курсу «Устройства генерирования и формирования сигналов» предназначена для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникации».

Табл. 2. Ил. 8. Библиогр.: 2 назв.

Печатается по решению радакционно-издателького совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

 

© Сергеев А.Я., Токмаков В.Г., Уткин М.А., 2012

© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2012

Содержание

 

1. Цель и задачи работы...…………………………………………………5

2. Общие положения...…………………………………………………….6

3. Описание лабораторной установки…………………………………...14

4. Программа работы (предварительный расчёт и порядок выполнения)…………………………………………………………….16

5. Содержание отчёта………………………………….………………….19

6. Техника безопасности при выполнении работы………...…………...19

7. Библиографический список…………………………………………...20

8. Приложение 1. Порядок расчёта режима транзисторов……………..21

9. Приложение 2. Порядок расчёта коллекторной цепи………………..24

 

 

Цели и задачи работы

 

1.1. Расширить знания о работе мощного транзистора в схеме усилителя мощности с общим эмиттером и резонансной нагрузкой. Изучить особенности изменения формы его коллекторного тока на различных частотах и влияние на неё внутреннего сопротивления источника сигнала и индуктивности эмиттерного вывода, а также влияние этих факторов на энергетические параметры усилителя.

 

1.2. Приобрести практические навыки расчёта транзисторного усилителя с резонансной нагрузкой на повышенных частотах, а также навыки наблюдения измерения токов и напряжений в схеме и определения энергетических показателей усилителя.

 

 

Общие положения

Типовая схема резонансного ВЧ усилителя мощности УМ на биполярных транзисторах представлена на рис. 1.

 

Рис. 1.

 

В приведенной выше схеме транзистор включен по схеме с ОЭ. Это позволяет получить большее усиление по мощности, чем в схеме с ОБ.

В отличие от лампового ВЧ усилителя, транзисторный имеет малые входное и выходное сопротивления, что предопределяет особенности построения его входной и выходной согласующих цепей. В узкополосном усилителе (рис.1) в качестве согласующих цепей, как правило, используются П - контуры (C1, L1, C2 и C3, L2, C4), обеспечивающие лучшую фильтрацию гармоник и необходимую полосу пропускания, чем обычные LC контуры с неполным включением. Элементы согласующих цепей частично образуются входными и выходными реактивностями транзистора. Напряжения коллекторного питания Ек и базового смещения Еб подаются через дроссели Др2 и Др1. Емкости Ср1 и Ср2 являются разделительными.

Работа усилителя в значительной степени зависит от вида подключенных к нему источника входного ВЧ сигнала и нагрузки.

Работу транзисторного УМ на относительно низких частотах удобно проанализировать (и проделать предварительные базовые расчёты), по кусочно-линейно аппроксимированным характеристикам транзистора (рис.2).

 

Рис. 2.

На рис. 2 представлена проходная i_k = i_k(e_б) и выходные i_k = i_k(e_k) характеристики. Жирной линией на рис. 2 показана динамическая характеристика транзистора.

Проходная характеристика имеет следующие особенности. При

Е_Б = Е'_Б = 0.7 В ток коллектора равен нулю. Где: Е'_Б - напряжение отсечки коллекторного тока.

При больших значениях (е_б > Е'_Б зависимость i_K=f(е_б) практически линейна, и может быть охарактеризована крутизной S.

При этом:

i_K = S(e_б - Е'_Б)

 

Характерным для выходных характеристик является наличие трех областей:

а) область отсечки - при этом переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в обратном направлении;

б) активная область - ток коллектора управляется током базы и практически не зависит от напряжения на коллекторе;

в) область насыщения - оба перехода транзистора смещены в прямом направлении. Линия, разделяющая активную область и область насыщения, называется линией граничного режима с крутизной Sгр.

При этом:

i_K = S_ГР ∙ e_K

 

Величины S и Sгр являются параметрами транзистора и обычно приводятся в справочных данных.

Усилитель мощности характеризуется следующими основными показателями:

- Р₁ - выходная мощность (первой гармоники) сигнала;

 

P₁= ,

 

где - коэффициент Берга по первой гармонике при данном угле отсечки Θ,

φ - угол сдвига между первой гармоникой тока и выходным напряжением,

P_к = P₀ – P₁

 

- Р₀ - мощность, потребляемая транзистором от источника питания;

- Р_к - мощность рассеиваемая транзистором;

- η = P₁/P₀ – КПД;

 

η =

 

где: ,

- K_Р - коэффициент усиления по мощности;

 

K_Р=

 

Также как и в ламповых усилителях в зависимости от угла отсечки (Θ ), различают следующие классы режимов работы транзистора: А, АВ, В, С.

Требования к выбору угла отсечки, (который определяется как половина длительности импульса коллекторного тока) противоречивы: для увеличения КПД угол отсечки следует уменьшать, а для получения наибольшей мощности первой гармоники - увеличивать. В большинстве случаев в выходных каскадах транзисторных усилителей мощности используют режим В (Θ =90°).

Режимы работы транзистора разделяют и по степени напряженности (величине ). Если в процессе колебаний рабочая точка всегда находится в активной области, то транзистор работает в недонапряжённом режиме. При попадании рабочей точки в течение части периода колебаний в область насыщения - режим работы транзистора перенапряженный. Если рабочая точка, перемещаясь по активной области, в какой-то момент времени оказывается на линии граничных режимов, то это граничный режим. Для граничного режима характерны максимальная колебательная мощность и близкий к максимальному КПД.

При расчете усилителя на транзисторе необходимо учитывать зависимость параметров KJIA характеристик от температуры.

 

t⁰n= t⁰_ср+ (R_ТПК+R_ТКР+R_РПС)P_К,

Где: t⁰n - температура коллекторного перехода, практически равная температуре кристалла транзистора.

t⁰_ср- температура окружающей среды;

R_ТПК - тепловое сопротивление переход-корпус транзистора;

R_ТКР - тепловое сопротивление корпус-радиатор;

R_РПС - тепловое сопротивление радиатор-среда.

Определение параметров КЛА при повышенной температуре коллекторного перехода производится по формулам:

 

S(t⁰n)=S₀[1+ (t⁰n - 20^°)],

 

где S₀ - значение параметра при температуре 20^°С;

= 0.01;

 

E'_Б(t⁰n)=E'_БО– K_Т(t⁰n - 20^°);

 

где E'_БО- значение параметра при температуре 20^°С; К_Т = 2мВ /^°С.

 

Существенное отличие работы транзисторного усилителя от лампового, состоит в сильной зависимости его энергетических показателей от частоты. В первую очередь это обусловлено зависимостью крутизны от частоты:

Ṡ = ,

где f_s - частота, на которой модуль S уменьшается в раз по сравнению со своим низкочастотным значением S (Рис 3).

Рис 3. Зависимость S и от частоты.

 

На этом же рисунке показана зависимость коэффициента передачи тока от частоты (f). Зависимость крутизны S от частоты, при переходе на высокую частоту, ведёт к уменьшению амплитуды сигнала и фазовому сдвигу по отношению к низкочастотному варианту. Например: на частоте f_s амплитуда падает в раз а фаза запаздывает на 45^°. Кроме того, т.к. УМ работает в режиме с отсечкой коллекторного тока, то во входной цепи возникают переходные процессы [1]. Это дополнительно искажает форму импульса и ведёт к его расширению, так что он должен характеризоваться не низкочастотным углом отсечки Θ _Н, а углом отсечки Θ _В > Θ _Н. Это иллюстрируется осциллограммами лабораторного макета, рисунком 4 и графиками рис.5

Рис 4. Импульс коллекторного тока транзистора на повышенных частотах.

 

Индуктивность в цепи эмиттера (L_Э) увеличивает постоянную времени входного сигнала, что эквивалентно уменьшению f_S. Особенно отчётливо это явление проявляется при R_Г → 0. Включение в цепь эмиттера дополнительной индуктивности (L'_Э), которое предусмотрено в работе, уменьшает частоту f_S (ухудшает частотные свойства) в соответствии с выражением:

f '_S= ,

где L_Э и L'_Эсоответственно собственная и дополнительная индуктивности в цепи эмиттера, что приводит на фиксированной частоте к дополнительному расширению импульса, т.е. к увеличению угла отсечки Θ _В.

 

 

Рис 5. Зависимость высокочастотного угла отсечки от частоты.

 

Переход от Θ _Н к Θ _В и наоборот производится по графику (рис 5).

 

Рис.6 Форма импульса коллекторного тока.

 

На рис. 6 показана зависимость формы коллекторного тока от сопротивления источника питания. Видно, что при некоторой величине R_Г=R'_Г, вследствие изменений постоянных времени открытого и закрытого состояния транзистора, переходные процессы будут отсутствовать и импульс коллекторного тока получится неискажённый (кривая 2).

12Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. IV. Исследование подсознательного в обществе: аналитическая социальная психология и характерология
2. Автороведческое исследование документов
3. Выбор числа и мощности трансформаторных подстанций
4. Глава 11. КРИМИНАЛИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДОКУМЕНТОВ
5. Глава 12. КРИМИНАЛИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПИСЬМА
6. Глава 2. Исследование динамических рядов.
7. Глава 8. КРИМИНАЛИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
8. Динамическое исследование машинного агрегата
9. Для полной мощности можно записать
10. Если мы набираем 2 выборки, в одной – матери моложе 20 лет, в другой – старше, а затем анализируем массу детей в каждой группе, то это проспективное исследование.
11. Занятие 1. (активная форма - исследование-дискуссия)
12. Занятие 2. (активная форма - исследование-дискуссия)