Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

АЧХ – это зависимость коэффициента усиления от частоты при постоянном напряжении на входе усилителя. По данным табл. 1, АЧХ можно отобразить с по­мощью графика, однако при разработке и настройке усилителя измерение и ис­следование АЧХ проделанным выше лабораторным способом крайне утомитель­но и нецелесообразно. Наиболее наглядно и удобно для получения АЧХ исполь­зовать измерители АЧХ (ИАЧХ), например Х1-30, Х1-38, Х1-40 и другие, с по­мощью которых АЧХ непосредственно отображается на экране прибора [2]. Принцип действия ИАЧХ, в дальнейшем характериографа, основан на автомати­зации процесса измерения АЧХ, которая предполагает наличие так называемого генератора качающейся частоты (ГКЧ), частота которого периодически плавно изменяется по определенному закону в нужной полосе частот, воздействуя при этом на исследуемый усилитель, а также на осциллографический индикатор, на экране (кинескопа) которого автоматически прочерчивается кривая АЧХ. Функ­циональная схема простейшего характериографа изображена на рис. 5.

Рис. 5. Функциональная схема простейшего характериографа

Как видно из функциональной схемы ИАЧХ, модулирующее напряжение модулятора одновременно управляет частотой ГКЧ и отклонением луча индика­тора по горизонтали. В свою очередь, спектр частот от ГКЧ плавно воздействует на усилитель в определенной полосе («качания»), выходное напряжение которого через измерительное устройство управляет отклонением луча по вертикали. Обычно в качестве измерительного устройства применяются детекторные (вы­прямительные) головки, напряжения на выходе которых пропорциональны мгно­венному значению амплитуды напряжения на их входе.

Таким образом, горизонтальное положение луча на экране ИАЧХ соответ­ствует частоте на входе усилителя, а вертикальное – амплитуде его выходного напряжения, в результате луч описывает автоматически АЧХ усилителя.
В со­временных ИАЧХ, кроме вышеперечисленных основных узлов, имеется ряд вспо­могательных, повышающих качество измерений и эксплуатационные свойства прибора, например блок частотных меток для калибровки или индикации частоты в пределах рабочего диапазона ГКЧ, узел гашения луча во время его обратного хода, узел автоматической регулировки амплитуды (АРА) напряжения ГКЧ и др.

В лабораторной работе с помощью ИАЧХ типа Х1-38 исследуется АЧХ усилителя и на ее основе определяется коэффициент широкополосности:

К_ш = f_max / f_min,

где f_max и f_min – максимальная и минимальная частоты, на которых коэффици­ент усиления уменьшается на 3 дБ относительно его значения на средней частоте.

 

По окончании работы сделать выводы с обоснованием полученных ре­зультатов.

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент усиления и при каких условиях в усилителе он измеряется?

2. Что такое коэффициент широкополосности усилителя и при каких усло­виях он измеряется?

3. Для чего предназначен в усилителе трансформатор типа длинной линии и какова его особенность при работе на низких и высоких частотах рабочего диапа­зона усилителя?

4. Что из себя представляет трансформатор типа длинной линии (ТДЛ) и почему он так называется?

5. Что такое волновое сопротивление трансформатора типа длинной линии и каково его значение при определении частотных свойств ТДЛ?

6. Что такое входное и выходное сопротивления усилителя и как они изме­ряются?

7. Выведите формулу для определения выходного сопротивления усилите­ля, измеренного методом вольтметра.

8. Выведите формулу для определения входного сопротивления усилителя, измеренного методом вольтметра.

9. Что такое АЧХ усилителя и чем определяется в исследуемом усилителе ее форма?

10. Каков принцип работы измерителя АЧХ? Какими еще способами изме­ряется АЧХ, их недостаток и преимущества?

 

Библиографический список

1. Основы метрологии и электрические измерения / Б.Я. Авдеев [и др.]; под ред. Е.М. Душина. – Л.: Энергоатомиздат, 1987.

2. Попов В.С. Электрические измерения и приборы / В.С. Попов. – М., Л.: Госэнергоиздат, 1963.

3. А.с. 1166270 (СССР). Широкополосный усилитель / Г.И. Невмержицкий, Н.А. Сартасов, И.М. Симонтов, А.И. Тихонов. – Опубл. в БИ, 1985, № 25.

4. Измерители амплитудно-частотных характеристик и их применение / П.Ю. Адоменас [и др.]. – М.: Связь, 1968. – 165 с.

 

 

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НЕЛИНЕЙНОСТИ
УСИЛИТЕЛЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Цель работы:

1. Ознакомиться с основами анализа нелинейных свойств электронного усилителя.

2. Изучить двухсигнальный метод измерения нелинейных интермодуляци­онных составляющих усилителя.

3. Провести анализ нелинейных свойств усилителя на основе аппроксима­ции коэффициента усиления и выбрать оптимальный по усилению и нелинейным искажениям режим усилителя.

Описание работы

1.1. Методические пояснения к исследованию
нелинейных свойств усилителя на полевом транзисторе

Теоретические положения и экспериментальные исследования основных параметров и характеристик усилителя на полевом транзисторе выполняются в компьютерном варианте лабораторной работы, приведенном во второй части практикума.

В данном стендовом варианте лабораторной работы исследуются нелинейные свойства и определяются нелинейные параметры усилителя на полевом транзисторе (ПТ) без привлечения громоздких теоретических выкладок, что удалось достигнуть на основе использования метода «мгновенного коэффициента передачи» (МКП) активных четырехполюсников [11], учитывающего влияние всех параметров усилителя. Сущность метода состоит в том, что воздействие малого сигнала описывается рядом Тейлора, а большого (например, амплитуды помехи большого уровня) – рядом Фурье, коэффициенты которого определяются на основе аппроксимации экспериментально снятой регулировочной характеристики (РХ) четырехполюсника (коэффициента усиления или передачи в усилителе) в функции от управляющего напряжения смещения Uсм на входе усилительного прибора (полевого или биполярного транзистора), например полиномом седьмой степени:

2 3 7

Кус = Во = Ао + А1Uсм + А2Uсм + А3Uсм + … + А7U см.

Такая методика, основанная на исследовании РХ, дает точные результаты в случае простейших активных четырехполюсников, к которым относятся усилители на ПТ. В усилителях на биполярных транзисторах (БПТ), схемой замещения которых является каскадное соединение двух простейших четырехполюсников (пассивного и активного), экспериментальное снятие РХ отдельных четырехполюсников весьма затруднительное, а при дальнейшем анализе и определении искомых параметров неизбежны существенные погрешности [13].
В связи с этим в лабораторной работе исследуются усилители на ПТ.

Исследовательский лабораторный стенд позволяет определить нелинейные параметры интермодуляции 3-го порядка Н3 полевых транзисторов в режиме резонансного усиления на частоте 10 Мгц в пределах полосы пропускания усилителя 150–200 кГц в схеме с общим истоком. Схема типового резонансного усилителя на ПТ типа 2П902А в лабораторном стенде для исследования коэффициента усиления Кэ = Кус и параметра нелинейности Н3 приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема для исследования параметра нелинейности Н3
на основе измерения коэффициента интермодуляции kз в лабораторном стенде

 

1.2. Электронный усилитель
и его основные нелинейные параметры

В зависимости от назначения электронного усилителя, входящего в состав различной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), существует огромное ко­личество его модификаций, функционирующих в различных частотных диапа­зонах. Поскольку в каждом из усилителей основным элементом является усили­тельный прибор (биполярный (БПТ) или полевой (ПТ) транзисторы.), характеристика передачи которого никогда не является линейной, то выходной сигнал усилителя также никогда не является идентичным входному – он всегда либо искажен по форме (несинусоидален при синусоидальном входном), либо к нему «примешиваются» различные помехи, возникающие в усилителе в процессе нелинейного преобразования входного полезного сигнала f_c (следует заметить, что сам процесс усиления есть процесс нелинейного преобразования сигнала). Эти помехи f_n накладываются на полезный сигнал f_c и нарушают его информационную достоверность. Тем не менее в зависимости от рабочего частотного диапазона усиливаемого сигнала существуют различия в оценке нелинейных параметров усилителя. Так, в усилителе низкой (звуковой) частоты (УНЧ) измеряются нелинейные гармоники, то есть образуемые в усилителе помехи, «кратные» полезному сигналу ( f_c ) с частотами 2 f_c, 3 f_c, 4 f_c и т.д.

В усилителях, применяемых в различной аппаратуре уплотнения кабельных, релейных и т.д. линий электросвязи, а также в усилителях радиочастоты всех радиоприемных устройств, наиболее опасными продуктами нелинейного преобразования (ПНП ) являются так называемые нелинейные помехи второго f_c ± f_n и третьего 2 f_n – f_c (или 2 f_c – f_n ) порядков. Их называют интермодуляционными или комбинационными ПНП, так как являются комбинациями из двух или трех сигналов. Их опасность в том, что они, как правило, всегда оказываются по частоте в полосе пропускания усилителя и причем вблизи полезного сигнала, следовательно, нарушают достоверность полезной информации, в то время как кратные ПНП вида 2 f_c, 3 f_c и т.д. практически не опасны, ибо зачастую подавляются добротными резонансными контурами или полосовыми фильтрами усилителя, то есть оказываются за полосой пропускания фильтра.

Учитывая, что анализ и устранение такого вида нелинейных помех в настоящее время продолжает оставаться важным и проблемным в условиях так называемой электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС), в лабораторной работе предпринята попытка познакомить студентов с основами анализа и измерения ПНП в вышеупомянутых усилителях радио- и электросвязи.

Основными показателями, характеризующими амплитуду напряжений ПНП на выходе усилителя, являются коэффициенты нелинейности интермодуляционных (комбинационных) составляющих соответствующих порядков.
В частности, для составляющих второго и третьего порядков эти коэффициенты определяются формулами:

(1)

где U_К2 , U_К3 – амплитуды напряжений второго и третьего порядков на выходе усилителя; U_C – амплитуда напряжения выходного полезного сигнала с частотой f_c.

Однако эти коэффициенты, как видно из формулы (1), зависят от уровня сигнала U_C, поэтому не могут однозначно характеризовать нелинейные свойства усилителя, в связи с чем введены параметры нелинейности H₂ и H₃, которые не только связаны с упомянутыми коэффициентами, но и однозначно характеризуют нелинейные свойства усилительных приборов (УП), так как определяются полностью формой нелинейной зависимости коэффициента усиления от управляющего напряжения на входном зажиме усилительного прибора (базе, затворе, сетке), то есть полностью определяются внутренней структурой УП.
В усилителе они определяются следующим образом [3, 4, 5].

, (2)

где B₀ , B₀^’ , B₀^’’ – значения полинома, аппроксимирующего экспериментальную характеристику коэффициента усиления, его первой и второй производной, в функции от напряжения на входном зажиме УП, например на затворе U_зи полевого транзистора (ПТ).

Следовательно, полная и однозначная оценка нелинейных свойств усилителя легко определяется на основе коэффициентов A₀, A₁ , A₂ и т.д. теоретического полинома B₀, аппроксимирующего экспериментальную характе­ристику K_УС коэффициента усиления, то есть достаточно найти параметры нелинейности H₂ и H₃ во всем диапазоне управляющих напряжений (смещений) на затворе ПТ (базе БПТ, сетке ЛТ и т.д.). В свою очередь, полученные зависимости H₂ и H₃ в функции от U_зи не только позволяют найти упомянутые коэффициенты нелинейности k₂ и k₃ , но и выбрать оптимальный режим транзистора, при котором H₂ и H₃ близки к нулю, а коэффициент усиления B₀ достаточно высок. Типичные зависимости K_ус , B₀ и H₃ для усилителя радиочастоты на ПТ типа 2П902А показаны на рис. 2.

 

Рис. 2. Экспериментальная K_уст (пунктиром) и теоретическая B₀ кривые
(аппроксимирующий полином) и полученная зависимость H₃
в функции от напряжения затвора U_зи усилителя на ПТ 2П902А

 

Из рис. 2 видно, что оптимальный режим соответствует U_зиопт ≈ 2, 5 В, при этом H₃ близко к нулю, а B₀ (или K_уст ) достаточно высок ( K_уст ≈ 20).

1.3. Двухсигнальный метод измерения коэффициентов
интермодуляционных составляющих сигнала

Метод состоит в том, что на вход усилителя на ПТ или БПТ подают два равных сигнала U₁ и U₂ с частотами f₁ и f₂, находящимися в полосе пропускания усилителя (рис. 3). На выходе усилителя образуются нелинейные интермодуляционные ПНП второго f₁ ± f₂ или третьего 2 f₂ – f₁; 2 f₁ – f₂ порядков (рис. 4).

 

Рис. 3. Схема для измерения коэффициентов нелинейности k₂ и k₃
двухсигнальным методом

 

Вид спектральных составляющих сигналов и продуктов нелинейности третьего порядка на экране анализатора спектра, включенного на выходе усилителя, показан на рис. 4. Комбинационные помехи второго порядка f₁ ± f₂ не показаны, ибо находятся вне полосы пропускания усилителя.

 

Рис. 4. Вид спектра на экране анализатора спектра типа С4-46

2. Задания при подготовке к работе
и ее выполнении

1. По данным результатов аппроксимации, которые выдает преподаватель каждой бригаде, построить график, отражающий теоретический полином
B₀ = f( U_СМ ), где U_СМ – напряжение смещения на управляющем электроде транзистора ( Uзи _зив ПТ).

2. Найти первую и вторую производные полинома в функции от U_СМ и построить на одном графике с теоретическим полиномом график, отражающий параметр нелинейности H₃ (по вышеприведенной формуле 2).

3. С помощью построенных графиков определить оптимальный режим по напряжению смещения транзистора в усилителе, при котором K_ус достаточно высок, а параметр H₃ стремится или близок к нулевому значению.

4. В оптимальном режиме определить расчетным путем коэффициенты интермодуляционных искажений второго k₂ и третьего k₃ порядков при
U_C1 = U_C2 = U_C = 100 мВ, где U_C – действующее значение двух равных сигналов напряжения на входе усилителя с частотами f₁ и f₂.

При этом в формулах (1, 2) амплитуду Uс принимать равной 0, 14 В.

5. Для этих же условий по схеме (рис. 3) измерить k₃ в децибелах в усилителе на полевом транзисторе VT схемы (рис. 1) лабораторного стенда в соответствии с нижеследующей методикой. Затем определить параметр нелинейности третьего порядка Н 3, ориентируясь на формулу (2).

Методика выполнения работы

1. Включить питающие напряжения к стенду и к приборам (рис. 3).

2. Настроить оба генератора типа Г4-102 на частоты f1 = 9995 и
f2 = 10000 кГц соответственно, ориентируясь визуально на появление спектральных составляющих этих частот на экране предварительно настроенного на частоту 10 МГц анализатора спектра типа С4-49 (С4-56 или аналогичного). Полоса пропускания частот спектра в анализаторе должна быть не менее 20 кГц с тем, чтобы измеряемые интермодуляционные составляющие частот 2f2 – f1 =
= 10005 кГц и 2f1 – f2 = 9990 кГц находились в полосе пропускания анализатора и измерялись им без ослабления.

3. Поочередно выставить на входе усилителя от каждого генератора уровень сигнала по 100 мВ, ориентируясь на показание высокочастотного вольтметра типа В3-43 или аналогичного ему.

4. Используя аттенюатор анализатора спектра или логарифмический масштаб этого прибора, измерить уровень двух равных появившихся на экране интермодуляционных ПНП третьего порядка Uk3 непосредственно в децибелах относительно уровня двух равных интермодулирующих сигналов с генераторов, усиленных усилителем. Измеренное соотношение в дБ и является величиной коэффициента интермодуляционных нелинейных искажений третьего порядка k3 (рис. 4).

5. Потенцируя полученное в дБ, т.е. в логарифмическом масштабе, значение коэффициента интермодуляции k3, получаем его величину в разах: k(дБ) / 20

K(раз) = 10 ^{k (дБ/20}. (3)

Затем по формуле (2) вычисляем полученный из экспериментальных данных параметр нелинейности третьего порядка Н3 и сравниваем его значение с теоретически вычисленным. При этом амплитуду бигармонического интермодулирующего сигнала принимаем U1 = U2 = Uс = 0, 14 В, так как действующее значение этого сигнала в эксперименте 100 мВ.

6. Сделайте выводы по результатам анализа и измерений. Оформите отчет в установленной форме и защитите работу в соответствии с нижеприведенными контрольными вопросами.

Контрольные вопросы

1. Что вы понимаете под нелинейными искажениями в усилителе?

2. Какие виды нелинейных искажений (НИ) характерны в усилителях низкой частоты и усилителях высокой (радио) частоты?

3. Что такое коэффициенты нелинейных искажений второго k₂ и третьего k₃ порядков, почему они так называются?

4. Каким образом можно измерить k₂ и k₃?

5. Почему k₂ и k₃ недостаточно полно характеризуют нелинейные свойства усилителя; какие параметры достаточны для полной и однозначной оценки нелинейных свойств УП в усилителе?

6. Что такое параметры H₂ и H₃ в усилителе, каким образом их определить и как они связаны с коэффициентами интермодуляции k₂ и k₃?

7. Что такое аппроксимирующий полином B₀ в функции от управляющего напряжения смещения усилительного прибора (транзистора) и для чего необходима аппроксимация?

8. На чем базируется математический аппарат аппроксимации характеристик усилительных приборов и других нелинейных элементов электрической цепи?

9. Что такое двухсигнальный метод измерения нелинейных искажений усилителя?

 

Лабораторная работа № 5

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: