Лабораторная работа № 2 Исследование усилителя напряжения на вакуумном триоде Введение

Лабораторная работа № 2
Исследование усилителя напряжения на вакуумном триоде
Введение
Вакуумный триод является активным элементом электрической цепи,
так как обладает способностью усиливать сигналы. Для реализации этой
способности триод должен быть включен в состав усилительного каскада.
Коэффициент усиления, полоса пропускания каскада в частотной области,
уровень нелинейных искажений и другие параметры каскада зависят как от
параметров триода, так и от электрического режима его работы, и от других
элементов усилительного каскада.
Целью настоящей работы является исследование усилительного
каскада на вакуумном триоде.
1. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка для данной работы – виртуальная, реализуется
в компъютере с использованием среды моделирования электронных схем
Electronics Workbench. Схема каскада, подлежащего исследованию,
представлена на рисунке 1. Каскад содержит вакуумный триод 12АТ7,
источник анодного напряжения V2, резистор нагрузки R1, а также генератор
функций и осциллограф.
Рисунок 1. Схема усилительного каскада на вакуумном триоде
Триод включен по схеме с общим катодом. На сетку относительно
катода подается с генератора функций напряжение, содержащее постоянную
составляющую, играющую роль напряжения смещения, и переменную
составляющую, служащую входным сигналом. В цепи анода
последовательно соединены источник анодного напряжения и резистор
нагрузки, предназначенный для преобразования анодного тока триода в
напряжение. Координаты рабочей точки покоя (при отсутствии сигнала) –
это напряжение смещения на сетке, напряжение на аноде и ток анода.
Рисунок 2. Семейство анодных характеристик триода, нагрузочная
прямая и рабочая точка покоя
На рисунке 2 показаны семейство анодных характеристик триода,
нагрузочная прямая и рабочая точка покоя с координатами Uа0, Ia0.
Нагрузочная прямая построена как прямая, заданная «в отрезках»: на оси
абсцисс – напряжение питания анодной цепи Ea, на оси ординат – ток
короткого замыкания анод – катод триода Ea/R1. На пересечении
нагрузочной прямой с анодной характеристикой, соответствующей
напряжению смещения сетки, находится рабочая точка покоя Ua0, Ia0. При
появлении входного сигнала, суммируемого с напряжением смещения,
рабочая точка перемещается из точки покоя по нагрузочной прямой в ту или
иную сторону, в зависимости от полярности входного сигнала. Режим лампы
по постоянному току можно определить, используя функцию DC Operating
Point, закладка Analysis:
Node/Branch
Voltage/Current
2 -1.00000
3 160.00000
4 97.14833
Здесь номерам узлов схемы (нод) соответствуют постоянные
составляющие напряжений в этих узлах.
На рисунке 3 изображены настройки генератора функций и
осциллографа, а также осциллограммы напряжений на сетке и на аноде
лампы. Амплитуда напряжения на сетке устанавливается в окне Amplitude
генератора, постоянная составляющая (напряжение смещения) – в окне
Offset. Осциллограммы изображены с постоянной составляющей напряжений
(окно DC). Коэффициент усиления каскада можно определить как отношение
размаха (двойной амплитуды) переменной составляющей напряжения на
аноде к размаху переменной составляющей напряжения на сетке. В данном
случае размахи напряжений указаны в правом окне осциллографа:
2Uam=56,8 B,
2Ucm=1,98 B.
Тогда KU=56,8/1,98=28,7.
Рисунок 3. Настройки генератора и осциллографа и осциллограммы
На рисунке 4 изображена зависимость постоянной составляющей
напряжения на аноде от напряжения питания, полученная с помощью
функции DC Sweep (красная линия). Она незначительно отклоняется от
прямой линии, следовательно, при изменении напряжения питания анодной
цепи постоянная составляющая напряжения на аноде изменяется почти
пропорционально этому напряжению.
Рисунок 4. Зависимость постоянной составляющей напряжения на
аноде от напряжения питания
На рисунке 5 представлены амплитудно-частотная и фазочастотная
характеристики усилительного каскада на вакуумном триоде. Как следует из
графика АЧХ, коэффициент усиления на нижних частотах составляет 29,2
дБ, верхняя граничная частота на уровне 29,2-3=26,2 дБ составляет примерно
8,4 МГц. Спад усиления на верхних частотах обусловлен наличием в триоде
паразитных межэлектродных емкостей сетка катод, сетка – анод, анод -
Рисунок 5. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики
усилительного каскада
катод, образующих пути утечки части сигнала.
Рисунок 6. Зависимость АЧХ от сопротивления нагрузки
На рисунке 6 представлена зависимость АЧХ от сопротивления
нагрузки, полученная в режиме Parameter Sweep при изменении
сопротивления от 10 до 100 кОм через 10 кОм. Как следует из графиков, по
мере увеличения сопротивления нагрузки растет коэффициент усиления на
нижних частотах, но падает на верхних частотах за пределами полосы
пропускания.
Рисунок 7. Спектр выходного сигнала усилительного каскада на вакуумном
триоде при амплитуде входного напряжения 1 В и частоте 1 кГц
На рисунке 7 изображен спектр выходного сигнала усилительного
каскада на вакуумном триоде при амплитуде входного напряжения 1 В и
частоте 1 кГц, полученный в режиме Fourier Sweep. Как следует из графика, в
спектре сигнала преобладает первая гармоника, ее амплитуда составляет
примерно 29 В, остальные гармоники со второй по восьмую имеют
относительно малые амплитуды. Если часть спектра без первой гармоники
увеличить, получится картина, представленная на рисунке 8.
Рисунок 8. Часть спектра сигнала с высшими гармониками
Амплитуда второй гармоники примерно 1,75 В, гармоники с третьей по
восьмую имеют примерно одинаковые амплитуды 1,35 В. Коэффициент
гармоник (коэффициент нелинейных искажений) Total harmonic distortion (%)
13.84377  14% .
3. Лабораторное задание
3.1. Собрать в программе Electronics Workbench схему усилительного
каскада на вакуумном триоде по рисунку 1 с параметрами согласно варианту
из таблицы:
Номер
1
2
3
4
5
6
7
8
9
варианта
Тип триода 12АТ7 12АХ7 2А3
12АТ7 12АХ7 2А3 12АТ7 12АХ7 2А3
Сопротив30
40
5
40
20
3
10
30
4
ление
нагрузки,
кОм
Напряжение 200
300
250
250
200
300 300
250
200
питания, В
На генераторе функций установить параметры согласно рисунку 3.
3.2. Измерить и записать в отчет режим работы триода по постоянному
току.
3.3. Наблюдать осциллограммы напряжений на аноде и сетке триода,
измерить амплитуды переменных составляющих, записать в отчет.
3.4. Снять амплитудно-частотную характеристику усилительного
каскада, определить коэффициент усиления на нижних частотах и граничную
частоту, записать в отчет.
3.5. Получить график спектра выходного сигнала каскада, записать в
отчет величину коэффициента гармоник.
4. Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе составляется на компъютере в виде
Word-файла. В отчете должны быть схема усилительного каскада с
измерительными приборами и результаты измерений по пп..3.2 – 3.5, а также
выводы по работе.
5. Контрольные вопросы
1.
Что является источником энергии для частиц – носителей энергии в
ЭВП?
2.
Какие средства используются для управления потоком электронов в
ЭВП?
3.
В чем причина односторонней проводимости ЭВП?
4.
Каковы области применения ЭВП в современной технике?
5.
Что является источником электронов в ЭВП?
6.
Что такое уровень Ферми?
7.
От каких факторов зависит работа выхода электрона?
8.
Перечислите виды электронной эмиссии.
9.
От каких факторов зависит эмиссионная способность металлов?
10. Как ускоряющее поле анода влияет на электронную эмиссию?
11. Что такое эмиссионная характеристика катода?
12. Сравните катод прямого накала и катод косвенного накала.
13. Перечислите основные параметры термоэлектронных катодов ЭВП.
14. Что такое эффективность катода? Почему катоды косвенного накала
менее Приведите классификацию термоэлектродных катодов для ЭВП.
15. Опишите устройство и работу оксидного катода.
16. Изобразите схематично устройство электровакуумного триода,
поясните на диаграмме распределение потенциала между анодом и катодом.
17. Перечислите виды статических характеристик электровакуумного
триода, укажите, какая величина от какой зависит и при каком условии.
18. Изобразите семейство анодно-сеточных характеристик триода.
19. Изобразите семейство анодных характеристик триода.
20. Перечислите основные статические параметры триода, укажите связь
между ними.
21. Покажите, как по семейству статических характеристик можно
определить крутизну триода.
22. Покажите, как по семейству статических характеристик можно
определить внутреннее сопротивление триода.
23. Покажите, как по семейству статических характеристик можно
определить коэффициент усиления триода.
6. Литература
6.1. Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы – 3 –е изд. – М.:
Связьиздат, 1960.
6.2. Вакуумная и плазменная электроника: конспект лекций./ Сост.
А.С.Тусов. – Рыбинск: РГАТА, 2006.