министерство образования Российской Федерации

Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Кафедра радиотехники

Усилитель радиочастоты на биполярном
транзисторе

Лабораторная работа
по курсу Радиотехника









Москва 2003

УДК 621.396.6


Усилитель радиочастоты на биполярном транзисторе.
Лабораторная работа по курсу Радиотехника / Сост.
. – М.: МФТИ, 2003. – 24 с.



© Московский физико-технический институт

государственный университет), 2003

Содержание

1. Введение 4

2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ 5

2.1. Принципиальные электрические схемы каскада 5

2.2. Параметры и характеристики каскада 6

2.3. Выбор параметров каскада в многоканальном
усилителе 11

3. Самовозбуждение УРЧ 13

4. Каскодная схема 15

4.1. Принципиальные электрические схемы 15

4.2. Параметры и характеристики схемы 16

5. Экспериментальная оценка выходного и входного
импедансов каскада УРЧ 17

6. Задание 19

6.1. Исследуемые схемы 19

6.2. Расчет каскадов 20

6.3. Измерения и исследования 21

Список литературы 23

1. Введение

Усилители радиочастоты (УРЧ) широко применяют в различных устройствах. Чаще всего их используют в качестве входных блоков радиоприемников для частотной фильтрации полезного сигнала из помех и увеличения его амплитуды. В таких случаях центральная частота спектра сигнала, как правило, существенно превышает ширину спектра и тогда УРЧ выполняет функции активного полосового фильтра. Известно значительное количество схем подобных УРЧ, содержащих разное число усилительных элементов и частотно-избирательных цепей. УРЧ может содержать единственный каскад, а может быть многокаскадным.

УРЧ обычно описывают следующими параметрами и характеристиками:

– резонансной (центральной) частотой усиливаемого участка спектра входного напряжения,

– резонансным коэффициентом усиления на частоте

– полосой пропускания на относительном уровне

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

– входным импедансом (или входной проводимостью

– выходным импедансом (или выходной проводимостью

– амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками (АЧХ и ФЧХ).

Цель настоящей лабораторной работы – теоретически изучить, рассчитать, собрать на индивидуальной плате и экспериментально исследовать простейшие варианты УРЧ. Это – резонансный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ), каскодная схема на двух транзисторах с одним колебательным контуром и двухкаскадный УРЧ, образованный последовательным соединением названных каскадов.

2. Каскад на биполярном транзисторе с ОЭ

2.1. Принципиальные электрические схемы каскада

На рис. 1а) представлена принципиальная электрическая схема каскада резонансного усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ с частично включенным -контуром в качестве коллекторной нагрузки и с последовательным питанием коллекторной цепи. На рис. 1б) дана схема аналогичного каскада с параллельным питанием коллекторной цепи.

Рис.1

Термин “последовательное питание“ означает, что выходной ток усилительного элемента (УЭ), в данном случае транзистора, имеющий постоянную и переменную составляющие, последовательно протекает через УЭ и его нагрузку. Далее постоянную составляющую тока ответвляют через резистор фильтра в источник питания , а переменную составляющую через конденсатор направляют мимо источника . Этим уменьшают нежелательную обратную связь между несколькими каскадами УРЧ, питаемыми от единого источника . Термин “параллельное питание“ подразумевает разделение путей протекания выходного тока УЭ на две параллельные ветви непосредственно на выходе УЭ. По одной ветви переменная составляющая тока направляется в нагрузку УЭ, а постоянная составляющая ответвляется через импеданс в источник питания . В качестве импеданса используют дроссель (катушку с большой индуктивностью), резистор или последовательное соединение дросселя и резистора.

2.2. Параметры и характеристики каскада

Параметры и характеристики любого радиотехнического устройства, описывающие его свойства, обычно находят путем составления и анализа эквивалентной схемы этого устройства. Для каскада УРЧ используем эквивалентную схему по переменному току, содержащую модели источника сигнала, УЭ и нагрузки. Источник сигнала представим простейшим генератором напряжения с ЭДС и внутренним сопротивлением . За модель нагрузки в виде частично-включенного -контура с высокой добротностью примем двухполюсник с импедансом, который вблизи резонансной частоты контура описывается выражением где р – коэффициент включения контура, – эквивалентное сопротивление контура, – обобщенная частотная расстройка, 1 – собственная добротность контура, – резонансная частота, – сопротивление потерь контура, включенное последовательно с индуктивностью .

Опишем сначала свойства каскада при идеальном транзисторе, у которого -параметры не зависят от частоты и равны: и Положим также, что в схеме, показанной на рис. 1б), выполняется условие >>

При указанных условиях эквивалентная схема рассматриваемого каскада УРЧ по переменному току имеет вид, изображенный на рис. 2.

Рис. 2

На основании анализа этой схемы нетрудно показать, что у рассматриваемого каскада:

– резонансная частота

– комплексный коэффициент передачи

(1)

где – крутизна транзистора,

– резонансный коэффициент усиления

– полоса пропускания АЧХ

– входной импеданс

– выходной импеданс левее точек

– АЧХ и ФЧХ задаются зависимостями модуля и аргумента выражения (1) от частоты.

Вместе с тем у реального транзистора -параметры зависят от частоты. В настоящей работе учтем только так называемое первое приближение этой зависимости, справедливое для частот, не превышающих нескольких значений верхней граничной частоты усиления транзистора по току и имеющее следующий вид:

Здесь – постоянная времени прямого перехода база-­эмиттер, – объемное сопротивление базы, – постоянная времени обратного перехода база-коллектор. Этому приближению соответствует физически наглядная П-образная эквивалентная схема транзистора (схема Джиаколетто). При ее использовании эквивалентная схема каскада приобретает вид, показанный на рис. 3.

Рис. 3

В этой схеме в диапазоне частот применения УРЧ можно не учитывать резистор , сопротивление которого существенно превышает импеданс емкости . Так, для транзистора КТ315 на частоте 1 МГц емкость порядка трех пикофарад имеет импеданс 50 кОм, а величина составляет единицы Мом. При этом импеданс следует положить равным

С учетом сказанного результаты анализа схемы, изображенной на рис. 3, сводятся к следующему.

Выходная проводимость части каскада, расположенной левее линии К–Э, найденная, например, в результате использования теоремы Нортона, получается равной

где

Следовательно, выходной контур каскада в данном случае шунтируется резисторным выходным сопротивлением транзистора и выходной емкостью величины которых зависят от параметров транзистора, выходного сопротивления источника сигнала и частоты. Это означает, что и параметры всего каскада также зависят от перечисленных величин. Так, для транзистора КТ315 на его граничной частоте при начальном токе коллектора 1 мА и имеем порядка десятков кОм и порядка нескольких , а при порядка единиц кОм получаем порядка (долей–единиц) кОм, а порядка (десятков–
–сотен) .

Из эквивалентной схемы каскада, показанной на рис. 3, видно также, что ток обратной связи протекающий через емкость , равен где – импеданс нагруженного выходного контура . Величина есть комплексная проводимость, подключенная параллельно емкости и резистору Умножив и разделив выражение для на комплексное выражение получаем где ,

Отсюда следует, что входной импеданс каскада между точками Б–Э задается цепью, изображенной на рис. 4а), где – параллельное соединение сопротивлений и

Рис. 4

Для транзисторов с очень малыми сопротивлениями элементы и практически являются входным резистивным сопротивлением и входной емкостью всего каскада. В случае больших величин или при наличии дополнительного резистора , а также при параметры каскада и можно найти соответствующим пересчетом цепи, показанной на рис.4а), в цепь, изображенную на рис. 4б), по формулам

где

(Попутно заметим, что для частот < относительная расстройка имеет знак минус и величина сопротивления на этих частотах также отрицательна. При определенных условиях это вызывает самовозбуждение УРЧ. Подробнее этот вопрос рассмотрен в п.3.)

2.3. Выбор параметров каскада в многокаскадном усилителе

В случае недостаточно высокого усиления одного каскада УРЧ к нему подключают 2-й каскад и т. д. Из-за шунтирования -контура любого предыдущего каскада входным импедансом последующего каскада резонансная частота и усиление шунтируемого каскада падают, а полоса пропускания расширяется. Вместе с тем, правильно спроектированный каскад должен обеспечивать заданные величины и всего усилителя и максимальное усиление каждого каскада (чтобы число каскадов в многокаскадном усилителе было минимальным). Этого можно достигнуть при использовании частичного подключения к контуру каскада как УЭ, так и последующего каскада. Эквивалентная схема каскада с таким включением контура показана на рис. 5.

Рис. 5

Для обеспечения требуемой полосы пропускания каскада добротность его нагруженного контура должна быть равна где и – эквивалентное сопротивление нагруженного контура. При этом величина должна удовлетворять условию

(2)

где и коэффициенты подключения к контуру со стороны выхода УЭ каскада и со стороны входа 2-го каскада соответственно.

Резонансное усиление каскада от его входа до входа 2-го каскада при этом равно

. (3)

Из выражений (2) и (3) при условии находятся требуемые (оптимальные) значения коэффициентов подключения

(4)

где

Каскад с данными коэффициентами подключения иногда называют оптимально согласованным. Величина максимального резонансного усиления согласованного каскада оказывается равной

(5)

Для схемы, показанной на рис. 5, справедливы также следующие соотношения

где – полная емкость контура, обеспечивающая резонансную частоту каскада, равную при индуктивности катушки контура Из этих соотношений получаем следующие формулы для определения величин емкостей и обеспечивающих коэффициенты подключения, заданные выражениями (4)

(6)

где

3. Самовозбуждение УРЧ

Самовозбуждение УРЧ происходит при наличии в нем положительной обратной связи. Существует три канала такой связи. Один из них – это связь каскадов через общий источник питания Для уменьшения данной связи каскады “развязывают“ с помощью фильтрующих элементов и (см. рис. 1а) в п. 2.1). Другой канал – это электромагнитная связь, возникающая при наличии длинных соединительных проводов в схеме, работающих как антенны, отсутствие экранировки катушек индуктивности, неправильное расположение элементов схемы и т. п. Эту связь ослабляют грамотным монтажом УРЧ. Третий канал обратной связи – наличие проходных емкостей в УЭ ( в случае биполярного транзистора – емкости

Рассмотрим условия, при которых самовозбуждение УРЧ возникает именно из-за названной емкости. Впервые они были найдены российским ученым Владимиром Ивановичем Сифоровым еще в эпоху ламповой радиотехники. показал, что одиночный каскад резонансного УРЧ может возбудиться только при наличии в его входном импедансе индуктивной составляющей. Такая составляющая появляется, например, при наличии второго колебательного контура на входе каскада. Аналогичная ситуация возникает в многокаскадном УРЧ, в котором роль входного контура каждого каскада, начиная со второго, играет выходной контур предыдущего каскада.

На рис. 6 дана упрощенная эквивалентная схема каскада с двумя одинаковыми контурами, которые представлены в ней двухполюсниками с импедансами этих контуров (с учетом их шунтирования транзистором). УЭ представлен генератором тока Емкость – это проходная емкость каскада.

Рис. 6

Разорвем провод схемы в точке и приложим к каскаду гармоническое входное напряжение частоты , которое вызовет выходное напряжение Под влиянием суммы входного и выходного напряжений через проходную емкость потечет ток обратной связи При больших коэффициентах усиления каскада вкладом входного напряжения можно пренебречь и считать, что В реальной схеме этот ток протекает через входной контур и образует на нем падение напряжения, которое является напряжением обратной связи Если начальные фазы напряжений и окажутся равными, а амплитуда напряжения связи превысит амплитуду , то возникнет самовозбуждение каскада.

Оказывается, что первое условие выполняется на частоте когда также имеем На этой частоте импедансы обоих контуров носят индуктивный характер. Если на резонансной частоте напряжения и находятся в противофазе (сдвиг равен радиан), то на частоте сдвиг фазы между напряжениями и равен уже сдвиг фазы между векторами и равен и сдвиг между векторами и равен В результате фазовый сдвиг между напряжениями и оказывается равным нулю, то есть обратная связь становится чисто положительной. Если при этом выполняется и второе (амплитудное) условие, то каскад УРЧ превращается в индуктивный трех-точечный --автогенератор с частотой генерации

Для устойчивости УРЧ необходимо, чтобы амплитуда напряжения была меньше амплитуды напряжения Записав это неравенство, получаем условие устойчивости УРЧ

(7)

Таким образом, выражение (7) указывает пути борьбы с самовозбуждением из-за наличия проходной емкости УЭ. Это – соответствующие ограничения величин и

4. Каскодная схема

4.1. Принципиальные электрические схемы

Каскодная схема разработана для повышения устойчивости УРЧ к самовозбуждению, что достигается существенным уменьшением ее проходной емкости по сравнению с минимально достижимой проходной емкостью отдельного УЭ. Примеры каскодных схем с последовательным и параллельным питанием по постоянному току даны на рис. 7.

Рис. 7

4.2. Параметры и характеристики схемы

Как видно из этих рисунков, нагрузкой 1-го транзистора, включенного по схеме с ОЭ, по переменному току является входной импеданс 2-го транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). Поскольку величина такого импеданса весьма мала по сравнению с выходным импедансом 1-го транзистора ( то 1-й транзистор каскодной схемы практически работает в режиме короткого замыкания на его выходе, а 2-й транзистор – в режиме холостого хода на его входе. Кроме того, имеем

Если теперь рассматривать оба транзистора каскодной схемы как единый УЭ, то при указанных условиях его -параметры связаны с аналогичными параметрами 1-го и 2-го транзисторов следующими соотношениями

Из этих соотношений видно, что параметр каскодной схемы, оценивающий степень обратной связи через проходную емкость, оказывается намного меньше, чем у одиночного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Это делает каскодную схему более устойчивой к самовозбуждению.

Кроме того, из-за малости величины входной импеданс каскодной схемы равен 1-го транзистора,
а выходной импеданс равен 2-го транзистора. И резистивные и емкостные составляющие названных импедансов (особенно выходного) выше, чем у каскада на транзисторе с ОЭ. Поэтому контур в каскодной схеме часто подключают к выходу 2-го транзистора полностью.

5. Экспериментальная оценка выходного

и входного импедансов каскада УРЧ

Выше было показано, что при расчете каскада УРЧ необходимо знание величин и транзистора и ненагруженного контура. Теоретический расчет этих величин громоздок и неточен, поэтому опишем методику их экспериментальной оценки.

Величины и можно найти следующим образом. Сначала подключаем контур к выходу транзистора полностью и в линейном режиме работы каскада находим его резонансную частоту определяемую суммарной емкостью контура + СП, где СП – известная емкость предварительно поставленного в контур навесного конденсатора. Вычисляем величину по формуле

= СП (8)

где .

Изменением емкости СП настраиваем каскад на требуемую резонансную частоту и измеряем его полосу пропускания После этого подключаем емкостную ветвь контура к коллектору транзистора частично, как показано на эквивалентной схеме данного включения на рис. 8а). При этом величины емкостей и выбираем так, чтобы с учетом известной емкости резонансная частота каскада равнялась а коэффициент включения равнялся = (0.2–0.8). В линейном режиме работы каскада измеряем его полосу пропускания

Рис. 8

Вычисляем величины и по формулам

(9)

где – индуктивность катушки контура.

Для оценки величин и 2-го каскада, подключаемого к 1-му каскаду, снова включаем контур 1-го каскада полностью, выполнив его емкостную ветвь из двух последовательно включенных конденсаторов с емкостями и Эквивалентная схема такого включения показана на рис. 8б). При этом величины и выбираем так, чтобы с учетом емкости резонансная частота 1-го каскада без подключения к нему 2-го каскада равнялась а величина равнялась бы выбранной величине Убеждаемся, что резонансная частота и полоса пропускания 1-го каскада равны соответственно и (При необходимости подстраиваем каскад.) После этого к конденсатору подключаем вход 2-го каскада. В линейном режиме работы обоих каскадов измеряем резонансную частоту 1-го каскада Вычисляем величину емкости по формуле

(10)

где

Уменьшением емкости при наличии 2-го каскада подстраиваем 1-й каскад под частоту и измеряем полосу пропускания 1-го каскада Вычисляем величину (11)

6. Задание

6.1.Исследуемые схемы

Схемы исследуемых каскадов приведены на рис. 9.

Рис. 9

Перед проведением расчета каскадов согласовать с преподавателем следующие исходные данные:

– резонансную частоту МГц,

– сопротивление источника сигнала Ом,

– напряжение источника питания В.

6.2.1. Расчет по постоянному току:

а) задать один и тот же начальный ток коллектора всех транзисторов VT1, VT2, VT3 Iкн = (0.5–1.5) мА,

б) задать падение напряжения Uф= (1–3) B на резисторе фильтра Rф,

в) задать одно и то же напряжение между коллектором и эмиттером каждого транзистора Uкэн = (Eп − U ф)/2,

г) считая, что для всех транзисторов h21Э = 100, найти их начальные токи базы Iбн = Iкн / h21Э,

д) выбрать ток, протекающий через делитель напряжения, составленный из резисторов R1 и R2, равным Iд = (50–100) Iбн, найти значения R1 и R2, учитывая также условие, что потенциал базы транзистора VT3 относительно земли должен быть равен (Uкэн + 0.6 В),

е) найти величины Rр, Rб1, Rф, Rб2.

6.2.2. Расчет по переменному току:

а) взять в кассе две катушки с равными индуктивностями (40–60) мкГн, измерить их индуктивности на -метре, взять подстроечный конденсатор С2,2 и дроссель с индуктивностью L3 L;

б) задаться предварительным значением коэффициента частичного подключения 1-го контура p = (0.25–0.33), определяемого соотношением его емкостей;

в) вычислить величины емкостей обоих контуров;

г) выбрать емкость остальных конденсаторов схемы порядка (0.01–1) мкФ, обеспечивая тем самым требуемую малость их импеданса на резонансной частоте.

6.3. Измерения и исследования

6.3.1. Исследование одиночных каскадов

На индивидуальной плате студента собрать каскад на транзисторе с ОЭ, подключив его контур к транзистору полностью, соединив точки 3 и 4 с помощью разделительного конденсатора Ср. Собрать каскодную схему, оставив ее вход (точка 6) свободным. Измерить реальные значения Iкн и Uкэн обоих каскадов и проверить их соответствие заданным величинам. При необходимости добиться соответствия с точностью (10–25)% путем изменения величин Rб1, Rб2, R1 и R2.

Подключив к входу 1-го каскада (точки 1 и 2) генератор гармонического напряжения радиочастоты с амплитудой не более 20 мВ, а к точкам 5 и 2 вольтметр, измерить резонансную частоту этого каскада и проверить ее соответствие расчетной величине . Добиться их соответствия с отклонением не более 5%. Установить область допустимых амплитуд входного сигнала, обеспечивающих линейность режима его работы.

Используя методику, описанную в п. 5, экспериментально оценить величины и 1-го каскада. Записать все результат расчетов и экспериментальных измерений.

Далее, независимо исследовать каскодную схему. Настроить ее на расчетную резонансную частоту. Установить область допустимых амплитуд входного сигнала, обеспечивающих линейный режим работы схемы. Подобрать величину внешнего нагрузочного сопротивления так, чтобы полоса пропускания схемы оказалась равно полосе 1-го каскада. Измерить резонансное усиление каскодной схемы при этой полосе пропускания.

Используя методику, описанную в п. 5, экспериментально оценить величины и каскодной схемы. Записать все результат расчетов и экспериментальных измерений.

Затем на компьютере в программе Micro Cap DEMO, версия 6 (MC6) открыть файл Lab92_z.cir и изучить влияние величины сопротивления источника сигнала на АЧХ и ФЧХ каскада на транзисторе с ОЭ.

6.3.2. Исследование двухкаскадного УРЧ

Используя результаты измерений в п. 6.3.1, материалы
п. 2.3 и формулы (4)–(6), рассчитать параметры согласованного каскада на транзисторе с ОЭ, нагруженного каскодной схемой. При этом требуемую полосу пропускания 1-го каскада задать равной его полосе при полном включении контура и при отсутствии подключения ко 2-му каскаду.

Собрать описанный двухкаскадный усилитель. При наличии его самовозбуждения принять меры к ликвидации генерации.

У устойчивого двухкаскадного усилителя в линейном режиме его работы измерить величины резонансного усиления и полос пропускания 1-го каскада и всего усилителя в целом.

При домашней подготовке к зачету и оформлении отчета:

а) освоить вывод расчетных формул (4), (8), (9)–(11),

б) сопоставить полученные значения всех измеренных величин с теоретически ожидаемыми.

Список литературы

1. Основы радиоэлектроники. – М.: Радио и связь, 1990.
2. , , Радиоприемные устройства. В 2-х ч. – М.: Сов. радио, 1961.–1963.

Лабораторная работа