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

∆ A 1= 37.97-37.79=0.18 дБ и

∆ A 2= 37.97-38.18=0.21 дБ. Принимаем

первую точку с координатами

A нижн = 37.79 дБ и

F нижн = 1.874 кГц в

качестве нижней границы полосы пропускания усилителя переменного

тока, так как

∆ A 1 < ∆ A 2.

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

∆ A 3=37.97-37.56=0.41 дБ и

∆ A 4= 37.97-38.06=0.09 дБ. Принимаем

точку с координатами

A верхн = 38.06 дБ и

f верхн = 72.67 МГц

в качест-

ве верхней границы полосы пропускания

усилителя переменного

тока,

так как

∆ A 4 < ∆ A 3.

Среднегеометрическая частота полосы пропускания усилителя

переменного тока определяется как

f ср =

f нижн ⋅ f верхн.

Подставив численные значения определённые ранее рассчитаем

3 6 3

f ср =

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

f нижн = 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°.

f верхн = 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

k = Uвых. а

= 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

kU УПТ от частоты f является амплитудно-частотной характеристикой

kU (f). Коэффициент усиления УПТ

LU, выраженный в децибелах (дБ

или dB) можно выразить через kU

следующим образом

LU = 20lg kU.

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,

f ср,

f нижн,

f верхн. 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 ≈

f нижн

(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

(T 1 = 22.2435 мс), когда входной сигнал принимает наибольшее (ампли-

тудное) значение

VA 1 = U вх.а =19.8274 мВ ≈ 20 мВ.

Значения VA 1

и T 1

индицируются в первом окне.

Второй движок установим в момент времени

T 2 = 22.4409 мс, ко-

гда выходной сигнал принимает наибольшее (амплитудное) значение

VB 2 = U вых.а =1.4615 В.

Значения VB 2

и T 2

индицируются во втором окне.

Коэффициент усиления УПТ по напряжению kU

на частоте

f н = 1.9 кГц

зом

по показаниям осциллографа рассчитаем следующим обра-

k = Uвых. а

= VB 2 =

1.4615

 

= 73.711

U Uвх. а

VA 1 19.8274 ⋅10−3

Вычислим коэффициент усиления УПТ в децибелах на частоте

f н = 1.9 кГц

по показаниям осциллографа

LU = 20 lg73.711 = 37.351

Отставание по фазе выходного сигнала УПТ относительно вход-

ного на частоте

f н = 1.9 кГц

по показаниям осциллографа рассчитаем

следующим образом

 

T 2 − T 1

 

 

(22.4409 − 22.2435)⋅10−3

ϕ =− 1

f н

⋅ 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

f верхн = 72.67 МГц

и на среднегеометрической частоте полосы пропускания

f ср = 369 кГц.