Нелінійне підсилення й множення частоти

Мета роботи: Вивчити принципи лінійного й нелінійного підсилення за допомогою біполярного транзистора, дослідити режими роботи підсилювача на біполярному транзисторі за допомогою моделювання в середовищі програми Electronics Workbench.

Контрольні запитання:

1. Що таке кусочно-лінійна апроксимація вольтамперної характеристики нелінійного елемента?

2. У чому сутність методу проекцій?

3. У чому сутність методу кута відсічки?

4. Який гармонічний склад струму через нелінійний елемент, що працює в режимі відсічення струму?

5. Що таке лінійне посилення й у чому його переваги?

6. Що таке нелінійне посилення й у чому його переваги?

7. На яких нелінійних елементах може бути отримане підсилення?

8. Приведіть приклади схем найпростіших транзисторних підсилювачів.

9. Що таке множення частоти і як воно здійснюється?

10. Приведіть приклади схем найпростіших помножувачів частоти.

Короткі теоретичні відомості

1.Метод кута відсічки.

Метод кута відсічки широко використовується при аналізі роботи транзисторних підсилювачів і помножувачів частоти. Він застосовується в тих випадках, коли вольтамперну характеристику нелінійного елемента можна апроксимувати кусочно-лінійною функцією:

(3.1)

При впливі на такий нелінійний елемент напруги:

. (3.2)

через нього протікають імпульси струму косинусоїдальної форми. Половина частини періоду, протягом якої протікає струм, називається кутом відсічки. Кут відсічки позначається . Неважко одержати співвідношення

. (3.3)

Спектральні компоненти періодичної послідовності імпульсів косинусоїдальної форми можна виразити формулою:

, (3.4)

де – коефіцієнти гармонік, функції кута відсічки (функції Берга), наведені на рис. 3.1.

Рис. 3.1.

2. Нелінійне посилення.

Підсилювачі – це пристрої, що збільшують потужність сигналу. Підсилювачі сигналів малої амплітуди звичайно бувають лінійними. Підсилювачі сигналів великої амплітуди теж можуть бути лінійними. Однак використовуючи нелінійні режими, можна істотно підвищити їх найважливіші характеристики.

Розглянемо резонансний підсилювач (рис. 3.2), на вхід якого поданий гармонічний сигнал

.

Рис. 3.2.

Контур у вихідному колі настроюється на частоту вхідного сигналу. Вольтамперну характеристику активного елемента вважаємо кусочно-лінійною (рис. 3.3) із крутизною похилої ділянки . Лінійне посилення має місце тоді, коли вхідний сигнал не виходить за межі лінійної ділянки характеристики , як показано на рис. 3.3а, у результаті вихідний струм змінюється за тим же законом, що й . Струм у вихідному колі містить постійну складову і змінну складову з амплітудою і частотою .

Рис. 3.3.

Напруга на високодобротному контурі

.

При цьому

, (3.5)

де – еквівалентний опір контуру. Звідси коефіцієнт підсилення по напрузі

. (3.6)

У нелінійному режимі посилення

, (3.7)

3. Помноження частоти.

Множення частоти полягає в одержанні на виході схеми коливання, частота якого в ціле число раз більше частоти вхідного сигналу. На вхід помножувача частоти звичайно подається гармонічна напруга частоти ; на виході одержують гармонічне коливання із частотою:

(3.8)

На рис. 3.3 зображена принципова схема транзисторного помножувача частоти. На відміну від транзисторного резонансного підсилювача тут коливальний контур настроєний на частоту . При вхідному гармонічному сигналі струм, що протікає у вихідному колі, виявляється негармонічним, що включає як компоненту частоти , так і гармоніки.

Ставлячи в це коло досить добротний контур, настроєний на частоту n -ної гармоніки, одержимо на ньому майже гармонічну напругу частоти . Звичайно на вхід помножувача подають коливання великої амплітуди, що дозволяє використовувати в розрахунках кусочно-лінійну апроксимацію й метод кута відсічки. Розглянутий помножувач використовується лише для множення в 2-3 рази. У цих випадках напруга на контурі:

, (3.9)

або

, (3.10)

Тут – еквівалентний резонансний опір контуру:

, (3.11)

що являє собою паралельне з'єднання резонансного опору контуру і диференціального вихідного опору транзистора

, при .