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 Uвх, тока Iвх, мощности Рвх. Основными параметрами усилителя являются:
а) коэффициент усиления по напряжению ;
б) коэффициент усиления по току ;
в) коэффициент усиления по мощности ;
Для усилителя возможны различные значения Ku, Ki, Kp, но принципиально то, что всегда Kp >1, тогда как Ku, Ki 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 Ku, определенного для синусоидального сигнала, от частоты. В зависимости от вида АЧХ линейные усилители делятся на усилители постоянного тока (УПТ) с рабочим диапазоном частот fp от 0 до 103...108Гц, усилители звуковых частот (УЗЧ) с fp от десятков герц до 15...25 кГц, усилители высоких частот (УВЧ) с fp от десятков килогерц до сотен мегагерц, широкополосные усилители (ШПУ) с fp от десятков герц до сотен мегагерц и узкополосные (избирательные) усилители (УПУ) с узкой полосой fp.
Рабочий диапазон частот усилителя ограничен верхней и нижней граничными частотами fв и fн. Граничные частоты обычно определяются по АЧХ, когда Ku снижается в раз по отношению к Ku0 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: Ku, Ki, Kp, Rвх, Rвых. 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 rвх = rб +(1+b) rэ - входное сопротивление транзистора;
rб - объемное сопротивление базы;
rэ - 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,когдаврезультатевведенияцепиОСкоэффициентусиленияKu ос увеличивается по сравнению с Ku без ОС, такую ОС называют положительной обратной связью (ПОС), а если Ku ос < Ku, такую ОС называют отрицательной ОС (ООС).
В усилителях наиболее часто применяется ООС, т.к. она позволяет повысить стабильность Ku, уменьшить нелинейные искажения сигнала, увеличить входное и уменьшить выходное сопротивление усилителя.
Входное сопротивление усилителя является нагрузкой источника входного сигнала. Повышение Rвх усилителя позволяет уменьшить нагрузку на него или использовать менее мощный источник. Выходное сопротивление усилителя Rвых, как правило, определяется относительно зажимов нагрузки при отключенной нагрузке и закороченном источнике входного сигнала. Согласно схеме на рисунке 4 б, выходное сопротивление Rвых включено последовательно с нагрузкой. Поэтому часть выходного напряжения падает на Rвых. Следовательно, снижение Rвых позволяет повысить КПД усилителя.