Лабораторная работа №15 Исследование транзисторного преобразователя частоты Москва 1994 План умд 1994/95гг. Лабораторная работа №15



жүктеу 172.13 Kb.
Дата11.04.2019
өлшемі172.13 Kb.
түріЛабораторная работа


Министерство связи российской федерации

Московский технический университет связи и информатики

_______________________________________________________________________

Кафедра радиоприемных устройств

Лабораторная работа №15

Исследование транзисторного преобразователя частоты

Москва 1994
План УМД 1994/95гг.

Лабораторная работа №15

Исследование транзисторного преобразователя частоты
Составитель: Е.И.Чуркин

Рецензент: В.А.Левин, профессор


Ил. 3, список лит. 5 наим.

I. Цель работы

Исследование влияния рабочих режимов транзисторного ПЧ на его усилительно-преобразующие свойства, т.е. на величину крутизны преобразования по первой и более высоким гармоникам, а так же на уровень комбинационных продуктов на выходе ПЧ при слабом и сильном сигналах на его входе.




  1. Задание по расчетной части

    1. 2.1. Пользуясь характеристикой крутизны коллекторного тока транзистора как функцией напряжения между базой и эмиттером (рис.1), определить начальное смещение Е0 и амплитуду напряжения гетеродина , соответствующие работе преобразователя без отсечки, т.е. при , при этом максимально используя рабочий участок ВАХ транзистора.

2.2. Рассчитать крутизну преобразователя по первой гармонике для выбранного режима работы ПЧ (методом пяти ординат).

    1. 2.3. Рассчитать оптимальный режим работы ПЧ на ЭВМ, воспользовавшись программой кафедры RPUPF, имеющейся в библиотеке программ на УВЦ МТУСИ (по указанию преподавателя).




  1. Задание по экспериментальной части

    1. 3.1. Для рабочих частот ПЧ, соответствующих , определить значение для выбранного в п.2.1 режима работы ПЧ.

    2. 3.2. Подбором режима работы ПЧ (начального смещения и амплитуды напряжения гетеродина) произвести оптимизацию работы ПЧ на максимум крутизны преобразования по первой гармонике.

    3. 3.3. Определить частоты сигнала, соответствующие «основному» (около 535кГц) и «побочным» каналам приема (так называемая частотная характеристика ПЧ) в линейном по сигналу режиме работы ПЧ и при отсечке .

Установить режим работы ПЧ с отсечкой порядка 90° и снять частотную характеристику ПЧ для трех-четырех каналов приема для сравнения с предыдущим режимом.

    1. 3.4. Установить «нелинейный» по сигналу режим ПЧ, увеличив его уровень в пять-десять раз, и зафиксировать дополнительные каналы приема, возникающие в этом режиме работы ПЧ.



  1. Лабораторная установка

Лабораторная установка в соответствии с электрической схемой рис. 2 включает в себя лабораторный макет преобразователя (смесителя) на транзисторе VT1 с отдельным гетеродином на транзисторе VT3, от которого напряжение через эмиттерный повторитель VT4 подается в эмиттерную цепь VT1. Резонансный усилитель на транзисторе VT2 представляет собой однокаскадный УПЧ на частоту = 465 кГц с коэффициентом усиления по напряжению .

Частота гетеродина =1,0 МГц. Установленный на лицевой панели макета миллиамперметр рассчитан на ток 1,5мА.

Резистор R3 позволяет регулировать положение рабочей точки (РТ) на ВАХ VT1 (), а резистор R7 – амплитуду напряжения гетеродина.

Ключ позволяет отключать напряжение гетеродина при установке РТ на ВАХ VT1, положение которой контролируется током через миллиамперметр, который с учетом рис.1 позволяет определить соответствующее значение . Целесообразность такого отключения объясняется тем, что прибор измеряет постоянную составляющую тока эмиттера VT1 за период частоты гетеродина (если гетеродин не отключен), а ее значение при нелинейной ВАХ прибора отличается от действительного значения (согласно рис.1) в РТ.

Помимо макета установка включает в себя источник сигнала () и, как правило, два вольтметра переменного тока для измерения , а также напряжения и .

Все приборы имеют «земляные» штекеры черного цвета.





  1. Методические указания по работе

    1. 5.1. Расчетная часть

1. Начальное смещение и амплитуда напряжения гетеродина , соответствующие углу отсечки 1800, определяют на основании кусочно-линейной аппроксимации ВАХ VT1, для чего проводят прямую вдоль характеристики крутизны на рис.1 до пересечения с осью абсцисс.

Точка пересечения дает искомое значение , а в качестве максимального значения крутизны можно принять такое, при котором характеристика крутизны отклоняется от аппроксимирующей прямой на какую-либо условно принятую допустимую величину (например, на I дБ, т.е. в 1,26 раза). Соответствующее на оси абсцисс напряжение отметим как .

На основании и рабочий режим при реализуется при напряжении смещения порядка



И амплитуде напряжения гетеродина равной



.

Угол отсечки (см.п.3.3) реализуется при начальном смещении и амплитуде напряжения гетеродина

2. Расчет первой гармоники крутизны методом пяти ординат производится по формуле

,

Где - минимальное значение крутизны, соответствующее на рис.1 абсциссе и - значения ординат на рис.1, соответствующее половинам амплитуд правой и левой полуволн напряжения гетеродина, изменяющегося от до при .

Крутизна преобразования по первой гармонике, очевидно, равна величине, получаемой при кусочно-линейной аппроксимации:


3. Расчет оптимальной крутизны преобразования на ЭВМ выполняется на УВЦ МТУСИ согласно инструкции для пользователя СМ 1420 или IBM (программа RPUPF кафедры радиоприемных устройств) или согласно описанию в [4].

Расчет производится на основании ВАХ транзистора ГТ-322А, приведенной на рис.1. В ЭВМ вводятся десять точек упомянутой ВАХ, после чего ЭВМ рассчитывает оптимальное и напряжение гетеродина.

4. Перед выполнением эксперимента и при оформлении отчета должны быть рассчитаны частоты «основного» и «побочных» каналов приема в линейном и нелинейном по сигналу режимам. Эти частоты определяются на основании общей формулы

При линейном по сигналу режиме полагают n=1, и формулу можно записать в виде



После чего, полагая m=1,2,…, нетрудно рассчитать частотную характеристику ПЧ.

В случае нелинейного по сигналу режима работы ПЧ полагают m=n после чего общую формулу можно преобразовать к виду

откуда находят частоты дополнительных паразитных каналов, возникающих при сильном сигнале.




    1. 5.2. Экспериментальная часть

1. Включить общим тумблером лабораторный стенд и многопозиционным переключателем подключить стенд №15.

Взять у учебного мастера (лаборанта) набор кабелей для подключения приборов, включить ГСС и вольтметры. Подать на вход макета напряжение от ГСС с частотой 535 кГц (основной канал приема, поскольку в радиоприемных устройствах обычно ) и напряжением порядка 5мВ и подстроиться на максимум выходного напряжения, после чего можно приступать к выполнению п.3.1 данного описания.

Частоты, соответствующие первой гармонике крутизны, очевидно, 535 и 1465кГц, напряжение мВ.

Крутизна преобразования может быть рассчитана на основании формулы где - эквивалентное сопротивление контура в коллекторной цепи VT1 (=2кОм), причем

2. При выполнении п.3.2 обратить внимание на степень отличия работы ПЧ в оптимальном по крутизне преобразования режиме по сравнению с режимом при .

3. При выполнении пп.3.3 и 3.4 брать в соответствии с п.4 разд.5.1 m=3; при работе с зафиксировать не только частоты дополнительных каналов приема ( по сравнению с режимом при ), но и уровень каналов, совпадающих с возникающими при .


  1. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ЧАСТОТЫ

ТРАНЗИСТОРЫ ПЧ. КОММЕНТАРИЙ К ТЕОРИИ ПЧ
В силу нелинейности ВАХ транзистора (см.рис.1) преобразователь является нелинейным устройством, расчет электрических параметров которого может быть выполнен на основании результатов какой-либо теории, которая может быть либо линейно-параметрической, либо чисто нелинейной. В соответствии с общей теорией ПЧ, излагаемой, например, в , преобразователь рассматривается поначалу как шестиполюсник, входной и выходной токи которого являются функциями сразу трех напряжений – сигнала , гетеродина и выходного . Такой подход требует в общем случае разложения соответствующих фукций в трехмерные ряды Тейлора, что должно существенно усложнить теорию ПЧ. Обычный и математически нестрогий путь упрощения теории состоит в том, что при условиях и соответствующие функции для входного и выходного тока разлагаются в двумерные ряды по степеням и . Получаемые в дальнейшем результаты могут быть интерпретированы с определенной степенью точности для транзисторного ПЧ.

Ниже обсуждаются физические особенности ПЧ на транзисторе, которые дают основания для уточнения получаемых в результате теории эквивалентных параметров ПЧ при одновременном некотором ее упрощении и большей математической строгости.

По своей сути транзистор в ПЧ является четырехполюсником, на вход которого поступает сумма напряжений сигнала и гетеродина (), а на входе присутствует, в силу избирательности нагрузки, лишь одно напряжение . В силу сказанного

(1)

и разложение (1) возможно в двумерный ряд без каких-либо условий.

Вместе с тем, несмотря на очевидность (1), вытекающую из выходных характеристик транзистора, в ней - напряжение, выделяемое на нагрузке за счет протекания самого тока (так называемая реакция нагрузки), поэтому при использовании (1) необходимо помнить о законе причинно-следственной связи (входное напряжение – первично, выходное напряжение - вторично) и при конкретизации (1) вид функции для надо задавать на основании вида функций , , а не произвольно.

Сказанное имеет отношение к характеру выходной проводимости транзистора , о которой будет идти речь ниже.

Обычным способом разложим (1) в ряд

(2)

Ограничиваясь линейными членами, мы остаемся в рамках линейной теории. Чтобы иметь линейно-параметрическую теорию необходимо в (2) ввести параметризацию (зависимость от времени), что будет сделано несколько позже.

Отбросим в (2) первый член, учтем возможную замену и реальное условие >>, после обозначений:

(3а)

удержав полезные члены, запишем



(3б)

Из (3а) следует, что проводимость прямой передачи не зависит от выходного напряжения и может быть параметризована по входному напряжению . При условии >>совершенно очевидно, что будет параметром, меняющимся по закону напряжения и в дальнейшем может быть разложена в ряд Фурье по гармоникам частоты гетеродина .

Что же касается выходной проводимости , то, как это видно из (3а), ее величина не зависит от входного напряжения ( означает короткое замыкание на входе по высокой частоте) по определению и соответственно не может быть параметризирована в соответствии с . Вместе с тем, согласно выходным характеристикам, проводимость может меняться по закону изменения выходного напряжения, т.е. в преобразователе не с частотой , а с частотой .

Оценивается, соответственно, и на промежуточной частоте. Поскольку в ПЧ напряжение обычно мало по сравнению с , параметризовать как функцию нет необходимости.

Таким образом, в рамках выбранной физической модели транзистора (выходные характеристики снимаются при различных входных токах, но при неизменном напряжении ) зависимость от несущественна.

В свете сказанного дальнейшие преобразования (3) выполняются как в , но при Если и - косинусоидальные функции времени, а проводимость прямой передачи - чисто активна (~), функция - также косинусоида .

Вместе с тем возможен важный для практики случай, когда ~ (емкостный параметрический преобразователь – усилитель). Тогда при соответствующих преобразованиях для соблюдения вышеупомянутого закона о причинно-следственной связи в качестве функции следует подставлять синусоиду . Таким образом, в рамках низкочастотных -параметров уравнение для выходного тока ПЧ после преобразований в комплексных амплитудах имеет вид

(4)

где , ,



- амплитуда k-й гармоники проводимости прямой передачи (крутизны).

Обычным способом (4) обобщается на случай высоких рабочих частот, когда ПЧ моделируется эквивалентным квазилинейным четырехполюсником описываемым уравнениями в -параметрах, при этом емкостная составляющая , в отличие от активной, рассчитывается лишь аналитически. Соответственно в формуле ~ нет зависимости от , т.е. от .

Теперь рассмотрим вопрос о характере зависимости входного тока транзистора от и . В теории электротехники указывается, что четырехполюсник является невзаимным, если

При работе электронных приборов на переменном высокочастотном токе понятие невзаимности имеет практический смысл при условии Убедимся, что, в отличие от резонансного усилителя, для преобразователя это условие невзаимности почти всегда выполняется.

Действительно , ~, где - промежуточная (сравнительно низкая) частота. Тогда проводимость обратной передачи имеет, как нетрудно убедиться, в рабочих режимах ПЧ величину порядка 10-4, в то время, как практически не зависит от частоты и имеет порядок 10-1. Заметим также, что не только мала, но и постоянна в смысле зависимости от напряжения . По определению

проводимость в смысле зависимости от постоянна. Входные характеристики транзистора также указывают на слабую зависимость от , т.е. от . Из сказанного видно, что зависимость от в транзисторе, т.е. не только постоянна, но и чрезвычайно мала, и тогда для ПЧ справедлива функциональная зависимость вида



(5)

отражающая факт невзаимности электронного прибора (транзистора), на котором он выполнен.

При замене приращения самим напряжением одномерное разложение (5) имеет вид

(6)

Учитывая, что , а также то, что в (6) можно опустить как не существенные, слагаемые и в конечном счете имеем лишь один полезный член разложения



(7)

Здесь производная по может быть вычислена независимо от того, является ли входное напряжение чисто синусоидальным или более сложной функцией (как это имеет место при наличии одновременно двух колебаний - и ), поскольку речь идет о бесконечно малых приращениях в области текущей рабочей точки.

Вместе с тем эта производная (входная проводимость) может быть параметризована, если одно из напряжений в (или оба сразу) достаточно велико и изменение за период соответствующего напряжения заметно. Поскольку на практике параметризуется во времени по закону изменения .

Дальнейшие операции для транзисторного ПЧ стандартны. После разложения в ряд Фурье и соответствующих преобразований и перехода к комплексным амплитудам, на основании (7) можно записать уравнение для входного тока квазилинейного четырехполюсника, моделирующего ПЧ на невзаимном приборе:



(8)

где - постоянная составляющая входной проводимости в разложении Фурье.

В терминах высокочастотных -параметров (8) запишется путем обычной замены на , где - постоянная составляющая в разложении Фурье входной емкости.

Поскольку отличается от , т.е. при подаче входная емкость ПЧ меняется, то меняется первоначальная настройка контура, предшествующего ПЧ.

На основании изложенного в рамках линейно-параметрической теории ПЧ возможна следующая физическая трактовка принципа его работы.

Как следует из (3) и на основании ВАХ транзистора , где - крутизна проходной характеристики в РТ. Под действием достаточно большого напряжения (гетеродина) РТ может перемещаться по ВАХ с соответствующим изменением крутизны в простейшем случае по гармоническому закону

Перемножение с сигналом (пусть ) в результате дает наличие слагаемых с новыми частотами , т.е. указывает на факт преобразования частоты.

На основании (4) и (8) ПЧ на транзисторе моделируется квазилинейным невзаимным четырехполюсником, показанным на рис.3.


Изложенная нелинейная теория преобразователя в отличие от линейно-параметрической, изложенной в разд. 1.1, полностью подчиняется закону о причинно-следственной связи, который применительно к электрическим цепям (схемам) может быть позиционирован следующей логической цепью:
→U→I→U→I→U→…→I→U(I)→

↑___________________________↓,

обратная связь по U (I)
где предыдущее значение напряжения U (тока I) является причиной возникновения последующего тока I (напряжения U) вследствие соответствующего преобразования в цепи. Этот закон исключает две следующие логические операции:


  1. Например, U-U – т.е. напряжение “порождает” напряжение, при этом пропускается промежуточная операция определения тока I;

  2. “следствие”, например, U не может обратно влиять на ток I, его порождающий; обратное влияние U на I может быть осуществлено только через механизм обратной связи, как это показано на приведенной диаграмме.

В приведенной в разд.1.1 теории, данной в традиционном изложении (за исключением поправок на особенности транзисторного преобразователя), эти обе недопустимые логические операции нарушены.

Оба нарушения состоят в следующем. Как следует из формул (3б) и (4) выходной ток преобразователя зависит от его выходного напряжения Uпр, в то же время являясь причиной возникновения Uпр (нарушение по п.2).

Причина здесь состоит в том, что исходное выражение (2) для произвольного четырехполюсника подразумевает зависимость выходного тока от наличия реальных источников напряжения (генераторов) как на входе, так и на его выходе. Однако, в (3б) напряжение на его выходе Uвых в действительности виртуальное, т.е. порожденное самим выходным током Iвых, как это уже отмечалось. Записав член для Uвых без промежуточной операции его нахождения через Iвых, мы нарушили п.1.

Это нарушение могло повлечь за собой еще одну ошибку, которую в данной теории преобразователя на приборе с ВАХ удалось избежать.

Речь идет о записи напряжений Uс и Uвых в виде одинаковых (косинусоидальных) функций, что в данном случае справедливо, поскольку при прохождении сигнала через прибор с ВАХ фаза протекающего через него тока не меняется (преобразователь на активном элементе) и определять истинную фазу тока Iвых оказалось необязательно.

Другое дело, когда анализируется преобразователь на реактивном приборе, например, с вольт-фарадной характеристикой (параметрический ПЧ-усилитель (ПУ)). В этом случае выходной ток получает дополнительный сдвиг на 90 градусов и Uвых (т.е. Uпр) имеет вид не косинусоиды , а синусоиды и запись этого напряжения с нарушением закона о причинно-следственной связи связано с ошибочностью самой теории ПУ, т.к. в этом случае исчезает эффект появления отрицательного сопротивления на входе ПУ.

Теория ПУ с соблюдением закона о ПСС изложена в [6].




  1. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Структурная (по требованию преподавателя – электрическая) схема лабораторной установки.

2. Предварительные расчетные данные.



Рис.3

3. Экспериментально определенные значения крутизны преобразования и частотные характеристики ПЧ с указанием на оси абсцисс частот каналов приема в цифровом и символическом значениях.





  1. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ




  1. Как зависит коллекторный ток транзисторного ПЧ от напряжения гетеродина?

  2. Как зависит крутизна ВАХ транзистора от напряжения гетеродина?

  3. Из каких соображений выбираются начальное смещение и амплитуда напряжения гетеродина?

  4. Почему при подаче должно меняться положение рабочей точки? Какова при этом роль ?

  5. На основании линейно-параметрической теории дайте простое объяснение принципа работы транзисторного ПЧ?

  6. Как строится частотная характеристика ПЧ при слабом сигнале?

  7. Как строится частотная характеристика ПЧ при сильном сигнале?

  8. Сравнить режимы работы ПЧ при работе с отсечкой коллекторного тока (порядка 900) и без нее ().

  9. Какие меры в супергетеродинном РПрУ принимаются для снижения уровня побочных каналов?

  10. Как определить постоянную составляющую крутизны, ее первую гармонику и крутизну преобразования на основании ВАХ транзистора?

  11. Объяснить суть линейно-параметрической теории ПЧ?

  12. Что такое невзаимный четырехполюсник? Что такое невзаимный электронный прибор? На численном примере покажите, что транзистор в режиме работы ПЧ может рассматриваться как невзаимный прибор.

  13. Что такое реакция нагрузки (цепи нагрузки)?

  14. Как можно трактовать закон о причинно-следственной связи применительно к транзисторному ПЧ?

  15. Запишите уравнения в -параметрах четырехполюсника, моделирующего транзисторный ПЧ. На каком основании в уравнении для входного тока можно полагать ~0?

  16. Cм. Вопрос 15. На каком основании в уравнении для выходного тока можно полагать (независящей от )?

  17. Изобразите на рисунке квазилинейную модель ПЧ, если транзистор невзаимен?

  18. Как должна выглядеть ВАХ прибора, чтобы не возникало высших гармоник крутизны?

  19. Поясните, как выводится первое уравнение (для входного тока) эквивалентного квазилинейного четырехполюсника, моделирующего транзисторный ПЧ?

  20. См. вопрос 19. Как выводится второе уравнение?

  21. Почему с ростом амплитуды крутизна ПЧ достигает максимума, а затем падает (имеет оптимум)?

  22. Поясните, как рассчитать крутизну преобразования с применением метода пяти ординат.

  23. Почему может возникнуть расстройка контура, предшествующего ПЧ, при подаче (отключении) ?

  24. Запишите параметры транзисторного ПЧ как (квази) линейного четырехполюсника с параметрами короткого замыкания. Какие из них по определению не должны зависеть от входного напряжения?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Радиоприемные устройства / Под ред.А.П.Жуковского. – М.: Высшая школа, 1989. – С.81-87.

2. Радиоприемные устройства / Под ред.А.Г.Зюко. – М.: Связь, 1975. – С.111-113.

3. Проектирование радиоприемных устройств / Под общей ред.А.П.Сиверса. – М.: Советское радио, 1976. – С.113.

4. Чуркин Е.И. Расчет узлов и параметров радиоприемных устройств с применением ЭВМ. Учебное пособие / МИС. – М., 1990.

5. [Луговой В.Ф.] Исследование транзисторного преобразователя частоты. Описание лаб. работы №15 / МЭИС – М., 1982.

6. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Советское радио, 1983.

Лабораторная работа №15
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ЧАСТОТЫ


Подписано в печать Формат 60×84/16. Объем 0,8 усл.п.л. Тираж 500 экз. Заказ
ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул.Авиамоторная, 8.




Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет