14

Составитель: Ф.Х. Кутдусов

УДК 621.38

Методические указания к лабораторной работе по дисциплинам "Электроника", "Системы и сети связи" и "Микроэлектроника и схемотехника" /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. Ф.Х. Кутдусов. - Уфа., 1997 - 15 с.

Содержатся основные сведения о электронных усилителях, их классификация. Описаны основные характеристики и параметры усилителей. Приведены методики и схемы экспериментального определения входного и выходного сопротивления усилителя. Описаны схемы однокаскадных и многокаскадного усилителей, использующихся для экспериментальных исследований.

Предназначены для студентов специальностей 220100 “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети”, 220600 “Организация и технология защиты информации” и 220400 “Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем”.

Ил. 4. Библиогр.: 4 наимен.

Рецензенты: Озеров В.В.,

Гулин А.И.

Содержание

1 Цель работы 4

2 Краткая теоретическая часть 4

3 Описание принципиальной схемы 9

4 Порядок проведения лабораторной paботы 9

5 Контрольные вопросы 13

6 Требования к отчету 14

7 Задание для домашней подготовки 14

Список литературы 14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Исследование транзисторных усилителей

1 Цель работы

Цель работы состоит в изучении принципа действия и освоении методики определения и исследования характеристик и параметров транзис­торных усилителей.

2 Краткая теоретическая часть

Усилителем называется элeктpoннoе устройство, позволяющее преобразовывать входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе. Это преобразование совершается за счет энергии источника питания. Усилитель предназначен для увеличения параметров электрического сигнала: напряжения U_вх, тока I_вх, мощности Р_вх. Основными параметра­ми усилителя являются:

а) коэффициент усиления по напряжению ;

б) коэффициент усиления по току ;

в) коэффициент усиления по мощности ;

Для усилителя возможны различные значения K_u, K_i, K_p, но прин­ципиально то, что всегда K_p >1, тогда как K_u, K_i могут быть больше или меньше 1.

Все усилители делятся на два класса - с линейными и нелинейными режимами работы (линейные и нелинейные усилители). К линейным усили­телям предъявляется требование минимального искажения усиливаемого сигнала. Коэффициенты усиления линейного усилителя рассчитываются по амплитудным или действующим значениям (для синусоидального сигнала) напряжения и тока.

Важнейшим показателем линейного усилителя является его амплитуд­но-частотная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля ко­эффициента усиления K_u, определенного для синусоидального сигнала, от частоты. В зависимости от вида АЧХ линейные усилители делятся на уси­лители постоянного тока (УПТ) с рабочим диапазоном частот f_p от 0 до 10³...10⁸Гц, усилители звуковых частот (УЗЧ) с f_p от десятков герц до 15...25 кГц, усилители высоких частот (УВЧ) с f_p от десятков килогерц до сотен мегагерц, широкополосные усилители (ШПУ) с f_p от десятков герц до сотен мегагерц и узкополосные (избирательные) усилители (УПУ) с узкой полосой f_p.

Рабочий диапазон частот усилителя ограничен верхней и нижней граничными частотами f_в и f_н. Граничные частоты обычно определяются по АЧХ, когда K_u снижается в раз по отношению к K_u0 на средней частоте f₀.

Нелинейные усилители характеризуются зависимостью коэффициента усиления от величины усиливаемого сигнала.

В зависимости от того, какой параметр является определяющим, усилители делятся на усилители напряжения, усилители тока, усилители мощности.

По количеству каскадов усиления усилители подразделяются на одно- и многокаскадные.

По типу связи между каскадами различают усилители с гальванической связью (характерно для УПТ); усилители с RC-связью, где разделительным элементом между каскадами является конденсатор; усилители с трансформаторной связью; усилители со связью через колебательный контур.

Классификация, принцип действия и режимы работы усилителей по­дробно рассмотрены в /1,2,3/. Показатели усилительных каскадов зави­сят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемо­го элемента. На рисунке 1 а,б,в приведены варианты схем одиночных уси­лительных каскадов с ОЭ, ОБ, ОК.

Расчет усилительного каскада состоит из 2 этапов:

а) анализ (расчет) каскада по постоянному току;

б) анализ (расчет) каскада по переменному току.

Первый этап обычно выполняют графо-аналитическим методом, в результате чего определяются параметры элементов схемы, предназначен­ные для обеспечения параметров режима покоя /2,3,4/.

На втором этапе решается задача определения основных показате­лей усилителя: K_u, K_i, K_p, R_вх, R_вых. Основной метод расчета на втором этапе заключается в замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по переменному току. На рисунке 1 г приведена схема заме­щения каскада с ОЭ, где транзистор представлен схемой замещения в физических параметрах. Расчет по переменному току можно также вести, используя схему замещения транзисторов в h-параметрах. Определим основные параметры каскада по данной схеме замещения.

а

б

в

г

Рисунок 1

Входное сопротивление каскада определяется из выражения

,

где r_вх = r_б +(1+b) r_э - входное сопротивление транзистора;

r_б - объемное сопротивление базы;

r_э - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

b - коэффициент передачи базового тока.

Коэффициент усиления каскада по току: .

Если , получим .

Коэффициент усиления каскада по напряжению:

.

Коэффициент усиления каскада по мощности: .

Выходное сопротивление каскада рассчитывают относительно его выходных зажимов: . Так как , то .

В таблице 1 приведены средние значения основных параметров усилителей для различных схем включения транзисторов.

Вторым важнейшим показателем линейного усилителя является фазо-частотная характеристика (ФЧХ), определяющая зависимость фазового сдвига j между входным и выходным сигналом, от его частоты; ФЧХ обычно измеряется в радианах.

Таблица 1

Параметр	Схема включения транзистора
	ОБ	ОЭ	ОК
Rвх	50...100 Ом	200...2000 Ом	10...500 кОм
Rвых	0,1...0,5 МОм	30...70 кОм	50...100 Ом
Ku	30...400	30...1000	1
Ki	1	10...200	10...200
Kp	30...400	300...20000	10...200

Зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала называется амплитудной характеристикой усилителя. Для линейных усилителей эта характеристика представляет собой прямую линию на рабочем участке.

Для изменения параметров усилителей, в них вводят обратные связи. Обратной связью в общем виде называют передачу энергии из вы­ходной цепи усилителя во входную цепь. Различают обратную связь (ОС) по току и напряжению. Обратная связь по току пропорциональна выход­ному току усилителя, ОС по напряжению - его выходному напряжению. Возможна и комбинированная обратная связь - по напряжению и току од­новременно.

По способу подачи сигнала ОС во входную цепь различают последовательную и параллельную ОС. Если во входной цепи складываются напряжения обратной связи и входного сигнала, то такую ОС называют последовательной. Если же во входной цепи складываются ток входного сигнала и ток цепи ОС, то та­кую связь называют параллельной.

В случае,когдаврезультатевведенияцепиОСкоэффициентуси­ленияK_{u ос} увеличивается по сравнению с K_u без ОС, такую ОС называ­ют положительной обратной связью (ПОС), а если K_{u ос} < K_u, такую ОС называют отрицательной ОС (ООС).

В усилителях наиболее часто применяется ООС, т.к. она позволяет повысить стабильность K_u, уменьшить нелинейные искажения сигнала, увеличить входное и уменьшить выходное сопротивление усилителя.

Входное сопротивление усилителя является нагрузкой источника входного сигнала. Повышение R_вх усилителя позволяет уменьшить нагрузку на него или использовать менее мощный источник. Выходное сопротивление усилителя R_вых, как правило, определяется относительно зажимов нагрузки при отключенной нагрузке и закороченном источнике входного сигнала. Согласно схеме на рисунке 4 б, выходное сопротивление R_вых включено последовательно с нагрузкой. Поэтому часть выходного напряжения падает на R_вых. Следовательно, снижение R_вых позволяет повысить КПД усилителя.