Нелинейное резонансное усиление и умножение частоты

1. Цель работы

Исследование нелинейных (резистивного и резонансного) усилителей и умножителя частоты. Снятие колебательных характеристик нелинейного элемента – транзистора при различных смещениях, определение коэффициента усиления в режиме удвоения частоты.

Рис. 9.1

2. Основные теоретические положения

Принципиальная схема нелинейного резонансного усилителя приведена на рис. 9.1. Режим работы нелинейного элемента в схеме усилителя показан на рис. 9.2. Пусть на входе усилителя действует напряжение

, (9.1)

где - мгновенное значение напряжения на базе транзистора;

- напряжение смещения на базе транзистора;

- амплитуда напряжения возбуждения;

- угловая частота сигнала, подаваемого на базу транзистора;

t - время.

При этом ток, протекающий в коллекторной цепи транзистора:

, (9.2)

где - мгновенное значение тока в коллекторной цепи транзистора;

- постоянная составляющая тока;

- амплитуда n -й гармоники тока;

n - номер гармоники.

Если резонансная частота w_p контура равна частоте w_о сигнала, то мгновенное значение напряжения на контуре

, (9.3)

где - амплитуда первой гармоники тока в коллекторной цепи транзистора;

- эквивалентное сопротивление контура при резонансе;

- амплитуда напряжения на контуре.

Рис. 9.2

Кусочно-линейная аппроксимация характеристики транзистора

(9.4)

(где S - крутизна аппроксимирующей линии; U ₀ - напряжение, соответствующее точке пересечения аппроксимирующей линии с осью напряжения) позволяет найти амплитуды гармонических составляющих тока как функции угла отсечки q:

, (9.5)

где - амплитуда импульса коллекторного тока;

- коэффициенты разложения косинусоидального импульса.

Угол отсечки находится из соотношения

. (9.6)

Коэффициенты разложения достигают наибольших значений при углах отсечки

. (9.7)

Коэффициент усиления нелинейного резонансного усилителя по первой гармонике

. (9.8)

Зависимость первой гармоники коллекторного тока I _к_i или напряжения на контуре U _к_max от амплитуды напряжения возбуждения U _б_max называется колебательной характеристикой.

Зависимость коэффициента усиления нелинейного резонансного усилителя по первой гармонике К _н1 от амплитуды напряжения возбуждения U _б_max называется амплитудной характеристикой усилителя.

Временная диаграмма коллекторного тока i _к(t) в недонапряженном режиме имеет вид, показанный на рис. 9.2. В перенапряженном режиме будут наблюдаться провалы в импульсах коллекторного тока. Критический режим представляет собой предельный случай недонапряженного режима.

3. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка позволяет выполнять лабораторные работы 9, 10, 11.

В функциональном блоке расположены нелинейный усилитель, нагрузку и режим которого можно изменять, и последовательный диодный детектор. Все органы управления лабораторной установки выведены на переднюю панель, изображенную на рис. 9.3. Выбор исследуемой схемы осуществляется тумблером Т2.

Рис. 9.3

При исследовании нелинейного усиления внешнее высокочастотное гармоническое напряжение от генератора высокой частоты (ГВЧ) подводится к гнездам Г1.

Постоянное напряжение смещения на базе транзистора КТ315 нелинейного усилителя можно изменять потенциометром U _бо. Постоянное напряжение измеряется вольтметром базового устройства с верхним пределом шкалы 1 В. Характеристика транзистора i _к= f (u _б), снятая в этом режиме, приведена на рис. 9.4.

Рис. 9.4

С помощью тумблера Т1 (см. рис. 9.3) переключается нагрузка в коллекторной цепи транзистора: в положении 1 включается параллельный колебательный контур, в положении 2 - активное сопротивление R =1 кОм. Переключатель "С_к" дает возможность установить различные значения емкости контура. Гнезда Г4 и Г5 лабораторной установки используются для подключения вольтметра и электронного осциллографа, позволяющих измерять и наблюдать напряжения в различных точках схем. Необходимые для этого коммутации осуществляются с помощью переключателей "Вольтметр" и "Осциллограф".

4. Методика выполнения работы

1. Исследовать резистивный нелинейный усилитель. Получить и зарисовать осциллограммы выходного напряжения при следующих условиях:

1) q = 180°, U _бо=0,8 В;

2) q = 120°, U _бо=0,8 В;

3) q = 60°, U _бо=0,4 В.

Для этого:

а) переснять на кальку вольт-амперную характеристику i _к(u _б) (см. рис. 9.4) транзистора КТ315; выполнить кусочно-линейную аппроксимацию этой характеристики;

б) используя аппроксимированную характеристику транзистора, рассчитать амплитуды напряжения возбуждения U _б_max для трех условий, приведенных в п.1;

в) подготовить приборы и установку к работе, подключить ГВЧ к гнездам Г1 (см. рис. 9.3), Y-вход осциллографа - к гнездам Г5, милливольтметр - к гнездам Г4;

г) установить частоту f _c₁ сигнала на выходе ГВЧ, равную резонансной частоте f _р контура. Для этого: поставить тумблер Т2 в положение 1, тумблер Т1 - в положение 2, переключатель "Вольтметр" - в положение Г1, переключатель "Осциллограф" - в положение А; установить по вольтметру блока питания U _бо=0,8 В; получить на гнездах Г1, изменяя выходное напряжение ГВЧ, U _б_max=0,2 В; добиться, изменяя частоту сигнала на выходе ГВЧ, максимального размера изображения на экране осциллографа (при этом частота f _c₁ сигнала на выходе ГВЧ равна резонансной частоте f _р контура);

д) переключить тумблер Т1 в положение 2; установить соответствующие заданному углу отсечки q напряжение смещения U _бо и напряжение возбуждения U _б_max, рассчитанное в п. "б";

е) получить и зарисовать осциллограмму напряжения на выходе нелинейного резистивного усилителя.

2. Снять колебательную характеристику U _к_max = f (U _б_max) нелинейного резонансного усилителя при напряжениях смещения, равных 0,8, 0,6 и 0,4 В.

Для этого:

а) установить тумблер Т1 в положение 1, включив параллельный контур в нагрузочную цепь усилителя;

б) снять зависимость U _к_max= f (U _б_max) при заданных напряжениях смещения U _б0, изменяя напряжение возбуждения от 0 до 1 В. Напряжение на выходе ГВЧ измерять при переключателе "Вольтметр" в положении Г1, а напряжение на контуре U _к_max - в положении А;

в) определить значение U _б_max _кр, соответствующее критическому режиму.

3. Рассчитать амплитудные характеристики нелинейного резонансного усилителя, используя колебательные характеристики.

4. Исследовать резонансный нелинейный усилитель в режимах усиления и умножения частоты. Для этого:

а) установить U _б0=0,6 В и U _б_max= U _б_max_кр при f _с1= f _р;

б) зарисовать осциллограмму напряжения на выходе нелинейного резонансного усилителя; измерить U _к_max (переключатель "Вольтметр" в положении А), определить коэффициент усиления. При выполнении последующих пунктов длительность развертки осциллографа не изменять;

в) установить тумблер Т1 в положение 2, зарисовать осциллограмму напряжения на выходе нелинейного резистивного усилителя;

г) установить тумблер Т1 в положение 1; уменьшить частоту сигнала на выходе ГВЧ в 2 раза; добиться на экране осциллографа максимального размера изображения, изменяя в небольших пределах частоту сигнала от ГВЧ; зарисовать осциллограмму напряжения на выходе нелинейного резонансного усилителя (в режиме умножения частоты); измерить U _к_max (переключатель "Вольтметр" в положении А); определить коэффициент усиления умножителя частоты;

д) установить переключатель Т1 в положение 2; зарисовать осциллограмму напряжения на выходе нелинейного резистивного усилителя.