Лабораторная работа № эп-1 " Исследование характеристик электронных ламп и однокаскадных усилителей напряжения" Проверил

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

Кафедра микроэлектроники

Лабораторная работа № ЭП-1

Выполнил:

Проверил:

Чебоксары 2008

Цель работы – ознакомление с характеристиками и параметрами триода и пентода; исследование характеристик однокаскадных усилителей напряжения с общим катодом и общим анодом на средних частотах.
Содержание работы

Для снятия статических характеристик электронных ламп используется схема рис.1. Исследуемая лампа выбирается переключателем SA1. На управляющую сетку исследуемой лампы напряжение подаётся с потенциометра RP1. Для контроля напряжений и тока на лицевой панели макета имеются измерительные приборы: PV1 измеряет напряжение на управляющей сетке лампы, PA – анодный ток, PV2 – анодное напряжение.

Исследование однокаскадных усилителей напряжения производится по схеме рис.2. Анодная нагрузка R_a включается в анодную цепь лампы; в цепи катода имеется звено автоматического смещения, состоящее из двух резисторов (для каскада на триоде).

При исследовании каскада на триоде имеется возможность закоротить анодное сопротивление тумблером и исследовать каскад с общим анодом.

К выходу усилительного каскада подключается нагрузка в виде переменного резистора.

При исследовании усилительного каскада на пентоде с помощью тумблера SA4 можно производить отключение ёмкости, шунтирующей экранирующую сетку.

Напряжение питания на усилительные каскады подаётся при включении тумблера SA5.
Рабочее задание

1. 
   Снять и построить семейство статических анодных характеристик триода при U_c, равном 0; -2; -4В.
   
2. 
   Снять и построить семейство статических анодно-сеточных характеристик при U_a, равном 60; 40В.
   
3. 
   Снять и построить семейство статических анодных характеристик пентода при U_c, равном 0; -1; -2В.
   
4. 
   Снять и построить семейство статических анодно-сеточных характеристик при U_a, равном 50; 230В.
   
5. 
   Из полученных характеристик определить статистические параметры µ, S, R_i триода и параметр S пентода.
   
6. 
   Снять и построить амплитудную характеристику каскада с общим катодом на триоде при R_{н min} и R_{н max}.
   
7. 
   Зарисовать с экрана осциллографа кривые U_вх и U_вых при U_вх = 1В. Объяснить причины нелинейных искажений кривой U_вых.
   
8. 
   Снять и построить амплитудную характеристику каскада с общим катодом при введении в схему ООС.
   
9. 
   Снять и построить амплитудную характеристику каскада с общим анодом при R_{н min} и R_{н max}.
   
10. 
    Снять и построить амплитудную характеристику усилительного каскада на пентоде при отключенной и включенной ёмкости С_э.
    

Простейший усилительный прибор (триод) для управления электронным потоком между катодом и анодом содержит третий электрод в виде спирали – управляющую сетку (рис.3,а). При наличии отрицательного относительно катода потенциала на сетке она отталкивает электроны, и анодный ток уменьшается.

Зависимость анодного тока от напряжения на аноде, существующая при фиксированном значении напряжения на сетке , называется анодной характеристикой. Так как анодный ток может существовать только при положительном потенциале на аноде и всегда имеет одинаковое направление, то все возможные вольт-амперные (анодные) характеристики располагаются в одном квадранте (рис.3,б). При = 0 анодная характеристика не отличается от соответствующей характеристики диода. Отрицательное напряжение смещает её вправо, не изменяя характера кривой. При положительном напряжении на сетке анодная характеристика проходит выше характеристики, соответствующей = 0.

Вольт-амперные характеристики входной цепи, изображающие зависимость тока сетки от напряжения , при = const называются сеточными характеристиками. Сеточный ток может протекать только при положительном потенциале сетки и в одном направлении (рис.3,в).

Располагая семейством анодных характеристик, можно построить семейство анодно-сеточных характеристик , при (рис.3.г). При каждом фиксированном напряжении на аноде анодный ток возникает при определённом отрицательном напряжении на сетке, которое называется потенциалом запирания лампы . При напряжениях анодный ток равен нулю (лампа заперта). Увеличение анодного напряжения сдвигает характеристику влево, не изменяя её характера. При появляется сеточный ток и наклон характеристики уменьшается.

ся согласно условию рассеяния определённого количества тепловой энергии . Если мощность , выделяемая на аноде, больше мощности, которую может рассеять его поверхность, анод перегревается. Этим определяются допустимые значения тока лампы и падение напряжения (средние значения). Значение даётся в справочном листке лампы, а на характеристиках наносится кривая (рис.3,б).

При расчётах схем электронную лампу принято заменять элементом с угловыми параметрами:

- внутренним сопротивлением переменному току при

в зависимости от конструкции и режима работы составляет 1..30кОм;

- статическим коэффициентом усиления при

; (2)

который показывает сравнительное воздействие потенциалов сетки и анода на анодный ток (во сколько раз изменение потенциала сетки сильнее воздействует на анодный ток по сравнению с изменением потенциалом анода ), у триодов µ = 20…100;

- крутизной анодно-сеточной характеристики при

; (3)

в зависимости от назначения триодов их крутизна составляет 1…20мА/В.

Указанные параметры связаны между собой µ = S·R_i и зависят от режима работы триода (рис.4).

Параметры µ, S, R_i можно определить как по семейству анодных, так и по семейству анодно-сеточных характеристик. Для этого нужно, выбрав линейные (рабочие) участки двух характеристик (см. рис.3,б), построить треугольник АВС. Пользуясь соотношениями (1-3), можно найти параметры лампы, взяв отношения соответствующих сторон треугольника. Аналогично из треугольника А1, В1, С1 (рис.3,г) определяются параметры по семейству анодно-сеточных характеристик.

При усилении напряжений высокой частоты усилители на триодах работают неустойчиво вследствие значительных емкостей между электродами (рис. 4,в) и наиболее вредной оказывается емкость между анодом и сеткой, которая составляет несколько пикофарад. С увеличением частоты сопротивление Сас уменьшается, и возникает обратная связь между анодной цепью и цепью сетки.

Для уменьшения обратной связи необходимо уменьшить Сас. Это достигается экранированием - введением в триод второй (экранирующей) сетки между анодом и управляющей сеткой (рис.5).





Рис. 5.
Экранирующая сетка в тетроде имеет по отношению к катоду положительный потенциал Uc, составляющий 30-100% номинального анодного напряжения, в зависимости от конструкции и назначения тетрода.

Вторая сетка, кроме того, что она экранирует анод от управляющей сетки, уменьшая Caс в десятки и сотни раз, ослабляет воздействие электрического поля анода на объемный заряд у катода и, следовательно, уменьшает влияние изменения анодного напряжения Uа на движение электронов в промежутке катод-управляющая сетка, что увеличивает коэффициент усиления.

Первая сетка, как и в триоде, управляет анодным током Iа, поэтому крутизна анодно-сеточной характеристики тетрода имеет примерно ту же величину, что и крутизна триода.

Пройдя первую (управляющую) сетку, небольшая часть электронов притягивается к экранирующей сетке, создавая в ее цепи относительно небольшой ток. Большинство же электронов при нормальных условиях работы лампы пролетают сквозь экранирующую сетку, попадает под действие электрического поля анода и протягивается к нему. Таким образом, на анод попадают все электроды, пролетевшие сквозь обе сетки, причем, как уже указывалось, их число почти не изменяется при изменениях напряжения на аноде. Поэтому внутреннее сопротивление тетрода оказывается большим (десятки тысяч Ом).

При ударах, электрона об анод из его поверхности взбиваются новые (вторичные) электроны, т.е. возникает вторичная электронная эмиссия. При нормальных напряжениях на аноде вторичные электроны притягиваются снова к аноду, и вторичная эмиссия практически не отражается на работе лампы. Если же в процессе работы напряжение анода меньше, чем на экранирующей сетке, то это значительно скажется на работе тетрода, что хорошо видно по анодной характеристике тетрода. Анодный ток при повышении анодного напряжения от нуля возрастает (участок I). На этом участке вторичная эмиссия с анода практически отсутствует, так как энергия электронов, проходящих на анод при малом анодном напряжении, недостаточна для появления заметной вторичной эмиссии с анода. При дальнейшем увеличении анодного напряжения электроны, приходящие на анод, получают энергию, достаточную для возникновения вторичной электронной эмиссии с анода, увеличивающейся с увеличением анодного напряжения. До тех пор, пока напряжение второй сетки остается больше анодного напряжения, вторичные электроны под действием электрического поля второй сетка притягиваются к ней (динатронный эффект). За счет этого увеличение анодного напряжения сопровождается уменьшением анодного тока и возрастанием тока в цепи экранирующей сетки (участок П).

При дальнейшем увеличении анодного напряжения, когда его значение приближается к значении напряжения на второй сетке, динатронный эффект исчезает, так как все вторичные электроны возвращаются обратно на анод. Анодный ток начинает резко возрастать, ток Iс2 также резко уменьшается, и при Ua>Uс2 характеристика анодного тока переходит в пологую, медленно возрастающую кривую. Наличие динатронного эффекта ограничивает применение тетродов.

Для устранения динатронного эффекта необходимо воспрепятствовать переходу вторичных электронов с анода на вторую сетку. Для этого необходимо создать в пространстве между экранирующей сеткой и анодом потенциальный минимум (отрицательный потенциал по отношению к аноду), тогда вторичные электроны возвращаются обратно на анод.

Первым способом получения потенциального минимума является введение в лампу третьей (защитной или антидинатронной) сетки, расположенной между экранирующей сеткой и анодом, которую в большинстве случаев соединяют с катодом (рис.6). Вторичные электроны, вылетающие с анода с относительно набольшими скоростями, этот минимум потенциала преодолеть не могут, так как их начальная скорость недостаточна, и возвращаются на анод.

Анодно-сеточная характеристика ia=f(Uc1) (рис. 6,б) имеет сходство с аналогичной характеристикой триода, а анодные характеристики (рис.6,в) резко отличается. При повышении анодного напряжения первоначальный

Рис. 6
анодный ток резко возрастает, так как электроны, слабо притягивающиеся анодом и перехватывающиеся экранирующей сеткой, начинают сильнее притягиваться анодом. Происходит уменьшение тока экранирующей сетки. Далее характеристика изгибается и идет прямолинейно и полого, так как все электроны, пролетевшие сквозь экранирующую сетку, попадают на анод и количество их мало изменяется при дальнейшем повышении анодного напряжения.

Другой способ получения потенциального минимума у анода и устранения динатронного эффекта в тетроде состоит в том, что общий электронный поток в лампе фокусируется в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В результате такой фокусировки электронного потока в пространстве между экранной сеткой и анодом создается повышенная плотность объемного заряда электронов, что создает необходимый потенциальный минимум. Лампы такого типа называются лучевыми тетродами.

Анодные и анодно-сеточные характеристики лучевого тетрода подобны характеристикам пентодов. Эти лампы имеют большую допустимую мощность, рассеиваемую анодом, и применяются в усилителях мощности.

Преимуществом лучевого тетрода перед пентодом является меньший ток экранной сетки (8-10% от Iа ном), так как электронный поток сфокусирован и проходит в нейтральной части сеточных отверстий. Проходная емкость лучевых тетродов составляет сотые доли пикофарады.

Так же, как и для триодов, основными параметрами тетродов и пентодов являются мю, S, Ri. Они определяются так жe, как и для триодов, но дополнительно поддерживается постоянным напряжение на второй сетке.

Усилительные каскады на электронных лампах. В реальных схемах усилителей последовательно с лампой включается сопротивление нагрузки лампы Ra. В зависимости от места включения сопротивления Ra и источника входного напряжения различают три основные схемы (рис.7);

1) с анодной нагрузкой Rа (общим катодом), рис. 7,а;

2) с катодной нагрузкой Rк(общим анодом), рис. 7,6;

3) с общей сеткой (катодным входом), рис. 7,в.

Рис. 8.
положение точки покоя каскада, когда Uвх=0. Rс - резистор сопротивления утечки сетки (по нему "стекают" на земле отдельные случайно попавшие на сетку электроны). При отсутствии гальванической связи сетки с землей накопление электронов на сетке привело бы к нестабильности отрицательного сеточного потенциала.

Если не входе усилителя напряжение от внешнего источника сигнала равно нулю, то в цепи лампы и анодной нагрузки течет ток, постоянный по значению.

При подаче на управляющую сетку триода переменного входного напряжения ток лампы также будет изменяться.

Вследствие протекания изменяющегося тока ia по сопротивлению Ra и появляется изменяющееся напряжение .

Так как сопротивление Ra может быть выбрано большим (от нескольких единиц до десятков килоом), то переменная составляющая напряжения на Ra может достигать десятков вольт при значении входного напряжения, составляющего доли вольта.

Таким образом, каскад с анодной нагрузкой усиливает напряжение. Усиление напряжения сопровождается усилением мощности, так как во входной цепи ток практически отсутствует (сопротивление Rc достаточно велико) и мощность, потребляемая от источника сигнала, ничтожно мала.

Мгновенное значение тока лампы

где Uа - мгновенное значение напряжения на аноде лампы. Зависимость (4) в системе координат ia, Ua (рис.8,б) представляет собой прямую линию и строится по точкам холостого хода ia= 0, Ua=Еa и короткого замыкания и носит название линии нагрузки лампы, поскольку все значения тока лампы будут лежать на этой прямой и определяться точками пересечения ее с анодными характеристикам.

Если переменное напряжение на входе усилителя равно нулю, то напряжение на сетке лампы относительно катода u_C = E_C0. При этом в анодной цепи протекает некоторый ток i_a = I_a0, называемый током покоя лампы. Напряжение на аноде u_a = u_a0 называется напряжением покоя. Значения I_a0 и u_a0 находятся в точке пересечения анодной характеристики при u_C = E_C0 с линией нагрузки (точка А). Отрезок E_a – U_a0 представляет собой падение напряжения на сопротивлении R_a в режиме покоя.

Если на входе усилителя действует переменное напряжение с амплитудой U_вх, то напряжение на сетке лампы меняется в пределах от U_{C min} = E_C0 – u_вх до U_{C max} = E_C0 + u_вх. Значения тока I_{а min} и I_{а max} находят по точкам пересечения соответствующих анодных характеристик с линией нагрузки. Таким же образом можно найти значение тока i_a для любой величины сигнала.

Для построения кривой анодного тока удобно воспользоваться так называемой динамической анодно-сеточной характеристикой, которая представляет собой линию нагрузки, перестроенную в системе координат i_a, u_C. Соответствующее построение показано на рис.8,б. Для сравнения на рис.8,б показана статическая анодно-сеточная характеристика лампы, которая всегда располагается выше динамической характеристики. Ниже оси абсцисс в масштабе сеточных напряжений изображена синусоида входного сигнала u_вх. Слева показано построение кривой тока i_a в течение одного периода входного сигнала. Точка А также является точкой покоя. Ниже оси u_a показана кривая напряжения на аноде лампы.

Проведенные кривые позволяют сделать следующие выводы.

1. Переменные напряжения на лампе u_a на анодной нагрузке равны по значению, и на рис.8,б они изображаются одной и той же кривой.

2. Когда напряжение на сетке лампы увеличивается, т.е. становится менее отрицательным и, следовательно, увеличивается ток лампы, напряжение на анодной нагрузке также повышается, а напряжение на аноде лампы падает (u_a = E_a - i_aR_a). В большинстве схем усилителей выходное напряжение снимается с анода лампы относительно земли, то, очевидно, переменная составляющая выходного напряжения находится в противофазе с входным напряжением, т.е. выходное напряжение имеет сдвиг по фазе, равный 180° относительно входного напряжения.

3. Отношение амплитуды выходного напряжения u_вых = u_a к амплитуде входного напряжения u_вх дает коэффициент усиления по напряжению.

В том случае, когда входной сигнал велик (рис.9,а) и заходит в область нелинейных участков динамической анодно-сеточной характеристики лампы, форма тока будет отличаться от синусоидальной.

В схеме применяется звено автоматического смещения, состоящее из сопротивления R_к и конденсатора С_к (см.рис.7,а). Протекая по сопротивлению R_к, ток лампы повышает потенциал катода относительно земли и тем самым делает сетку, соединенную через резистор с землей, отрицательной относительно катода. Емкость конденсатора С_к выбирают так, чтобы для переменной составляющей тока лампы ее сопротивление было много меньше сопротивления R_к. Тогда практически можно считать, что переменная составляющая целиком протекает через емкость С_к, a на резисторе R_к создается постоянное напряжение.

Для определения значения R_к достаточно знать требуемое напряжение смещения Е_С0 и ток покоя лампы I_a0:

Значение Е_C0 выбирается чаще всего равным u_{C зап}/2. Ток покоя I_a0 при выбранном Е_а находят графически, строя линию нагрузки. При построении линии нагрузки влиянием R_к можно пренебречь, так как оно много меньше R_а.

Конденсаторы C1 и С2 включены для того, чтобы не пропустить постоянную составляющую напряжения входного сигнала u_вх и напряжения Е_а в нагрузку R_н.

В эквивалентной схеме замещения каскада для переменной составляющей (рис.9, б) лампа заменяется генератором напряжения u_вх, имеющим внутреннее сопротивление R_i. Конденсаторы в схеме отсутствуют, так как их сопротивление для рабочего диапазона частот должны быть малыми и ими можно пренебречь. Конденсатор С_к шунтирует R_к, поэтому и R_к в схеме замещения отсутствует. Источник питания Е_а также исключен, так как его сопротивление для переменной составляющей тока мало. По этой причине сопротивление R_н включено параллельно R_а.

Для определения амплитуды переменной составляющей тока и напряжения в анодной цепи лампы при наличии нагрузки через точку А проводят линию нагрузки по переменному току. Угол наклона этой линии определяют из уравнения

Коэффициент усиления по напряжению (при R_н = из эквивалентной схемы)

Обычно значение R_a в схемах усилителей на триодах выбирается в пределах

R_a = (2 - 5)R_i;

тогда К = (0,6 - 0,7).

Выходное сопротивление усилителя по переменному току (рис.9,6), т.е. сопротивление, измеренное со стороны зажимов нагрузки при закороченном генераторе сигнала, будет: R_вых = R_i.

В усилительном каскаде на пентоде (рис.10,а) сопротивление вследствие высокого внутреннего сопротивления R_i выбирают из соотношения R_a = (0,1 – 0,15)R_i.

Такой выбор связан с необходимостью уменьшения нелинейных искажений тока усилителя. Если выбрать R_а большим, то линия нагрузки будет пересекать анодные характеристики ниже точек перегиба, где нелинейные искажения велики.

Так как R_а<i , то

Новым элементом в усилителе (рис.10,а) является цепь экранирующей сетки R_эС_э. Напряжение на экранирующей сетке U_эс понижается относительно напряжения питания Е_а за счет падения напряжения на сопротивлении R_э при протекании по нему тока экранирующей сетки I_э0.

Сопротивление R_э рассчитывают по формуле

Назначение емкости С_э - поддерживать постоянное напряжение на экранирующей сетке при колебаниях анодного тока лампы i_a, следовательно, и тока экранирующей сетки i_э. Емкость С_э в этом случае отфильтровывает переменную составляющую тока на землю. Значение С_э выбирают такое, чтобы его сопротивление было в 3-5 раз меньше сопротивления R_э на всех возможных частотах входного сигнала.

В простейшей схеме каскада с катодной нагрузкой (см. рис.7,б) выходное напряжение на нагрузке R_к оказывается поданным обратно на вход в цепь сетка-катод и вычитается из входного сигнала. Таким образом, в каскаде с катодной нагрузкой существует 100% отрицательная обратная связь по напряжению.

Переменное напряжение на сетке лампы относительно катода

u_c = u_вх - u_вых;

отсюда

т.е. напряжение на выходе каскада (переменная составляющая) всегда меньше входного напряжения.

Входное и выходное напряжения совпадают по фазе, так как с повышением напряжения на входе увеличивается ток лампы и повышается напряжение на сопротивлении R_к (выходное напряжение).

Выходное сопротивление каскада оказывается небольшим и в зависимости от значений S колеблется в пределах сотен Ом. Входное сопротивление каскада велико.

Благодаря небольшому выходному и большому входному сопротивлениям каскад с катодной нагрузкой часто применяется для согласования маломощного источника питания с низкоомной нагрузкой.

Когда кривые входного и выходного напряжения имеют один и тот же вид (например, синусоиды), амплитудная характеристика усилительных каскадов (рис. 11) прямолинейна и коэффициент усиления постоянен, так как соблюдается пропорциональность между выходным и входным напряжениями.

В схеме с анодной нагрузкой, когда положительная полуволна входного напряжения источника сигнала u_{вх max} настолько велика, что u_с = u_{вх max} – E_c0 > 0, увеличивается сеточный ток, резко снижается R_вх, появляются искажения в кривой (см. рис.9,а), так как

и, соответственно, в кривой отрицательной полуволны u_вых, так как u_вых и u_вх в этой схеме находятся в противофазе.

Если отрицательное напряжение u_вх будет больше напряжения запирания лампы U_{с зап}, то будут искажения (ограничения) положительной полуволны u_вых из-за отсечки анодного тока.

В схеме катодного повторителя (см. рис.7,б) напряжение на сетке является алгебраической суммой напряжения сигнала и напряжения на резисторе R_к, т.е.