6. Содержание отчета.

7.1. Цель работы.

7.2. Принципиальная электрическая схема усилителя.

7.3. Назначение элементов исследуемой схемы.

7.4. Таблицы результатов измерений.

7.5. Графики амплитудных и амплитудно-частотных характеристик снятых в работе.

7.6. Выводы о результатах проделанной работы, включающие пояснения полученных экспериментальных данных.

7. Теоретические сведения.

В устройствах электроники для обеспечения заданных входного и выходного сопротивлений, коэффициента усиления по напряжению, необходимой полосы усиливаемых частот и заданных значений других параметров обычно применяются многокаскадные усилители, в каждом каскаде которых используется один транзистор. Соединение каскадов осуществляется либо непосредственно с помощью проводников (гальваническая связь), либо с помощью конденсаторов. В первом случае усилитель способен усиливать сигналы с нулевой частоты до некоторой верхней (усилитель постоянного тока), определяемой частотными свойствами транзисторов, во втором случае диапазон усиливаемых частот имеет ограничения снизу и сверху (усилитель переменного тока).

В зависимости от рабочего диапазона частот усилители переменного тока (далее просто усилители) подразделяются на усилители низкой и высокой частоты.

Параметрами усилителя являются:

1. Коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности:

.

При последовательном соединении n каскадов общий коэффициент усиления определяется как произведение коэффициентов отдельных каскадов. Например

Иногда значения коэффициентов оцениваются в децибелах:

.

Тогда

.

В общем случае коэффициент усиления представляет собой комплексную величину , где К_ω - модуль коэффициента усиления, φ – аргумент, характеризующий фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением усилителя.

2. Точность воспроизведения формы сигнала в усилителе определяется линейными и нелинейными искажениями.

Линейные искажения обусловлены зависимостью коэффициента усиления от частоты входного сигнала и связаны с наличием реактивных элементов в с хеме. Например, сопротивление емкости между каскадами зависит от частоты, поэтому сигналы с разными частотами передаются между каскадами усилителя с разной амплитудой. Отсюда усиление на различных частотах разное.

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты сигнала представляет собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя (рис. 8.2).

Эта характеристика для идеального (неискажающего) усилителя имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс. В реальных усилителях имеется определенная полоса частот, в пределах которой коэффициент усиления изменяется не более, чем это допустимо по техническим требованиям. Полоса частот усилителя ограничена высшей f_в и низшей f_н граничными частотами.

М ерой частотных искажений, вносимых усилителем на граничных частотах, служит коэффициент частотных искажений М, равный отношению коэффициента усиления К_U0 на средних частотах и коэффициента усиления К_Uв или К_Uн на граничных частотах: , . Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений задают равными М= = 1,4, что соответствует в децибелах значению М(дБ) = 20lgM = 20lg = 3дБ.

Необходимо отметить, что на коэффициент усиления усилителя в области низких частот оказывают влияние также конденсаторы С_э, устанавливаемые в цепях эмиттеров транзисторов. Их влияние проявляется в том, что с уменьшением частоты снижаются коэффициенты усиления каскадов вследствие уменьшения шунтирующего действия конденсаторов на резисторы, установленные в цепи эмиттера, что ведет к снижению усиления.

В области высоких частот на усилительные свойства каскадов влияют зависимость коэффициента β транзистора от частоты и наличие емкости С_к закрытого коллекторного перехода. При увеличении частоты, начиная с некоторого предельного значения, β транзисторов уменьшается, а барьерная емкость С_к начинает шунтировать сопротивление коллекторного перехода, что ведет к снижению усиления в области высоких частот.

Зависимость фазового сдвига φ от частоты представляет собой фазо-частотную характеристику (ФЧХ), которая для идеального неинвертирующего усилителя может быть представлена в виде прямой линии (рис. 8.3), совпадающей с горизонтальной осью. В реальных усилителях в области низких частот фазовый сдвиг имеет положительный знак и определяется фазовым сдвигом между током и напряжением в цепи разделительных конденсаторов между каскадами. В области высоких частот фазовый сдвиг отрицательный, что объясняется комплексным характером коэффициент передачи тока β.

3. Нелинейные искажения усилителя связаны с нелинейностью амплитудной передаточной характеристики (АПХ) усилителя – зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного (рис. 8.4). При небольших значениях входного сигнала амплитудная характеристика практически линейна и угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте (кривая 1).

С увеличением U_вх рост U_вых замедляется и выходной сигнал искажается. Минимальное же входное усиливаемое напряжение ограничено уровнем собственных шумов усилителя, обусловленных беспорядочными электрическими колебаниями (флуктуациями) напряжения, возникающими в резисторах схемы (тепловой шум) и в транзисторах.

Амплитудная характеристика позволяет установить допустимые границы изменения входного напряжения, в которых усилитель работает в линейном режиме. Отношение этих напряжений или D(dБ) = 20lgD -называют динамическим диапазоном усилителя.

Нелинейность АПХ обусловлена нелинейностью вольт-амперных характеристик транзисторов (рис.5), особенно сильно проявляющейся при больших амплитудах входных сигналов.

4. На параметры и характеристики усилителя значительное влияние оказывают обратные связи.

Обратной называется связь, по которой обеспечивается передача части выходного сигнала обратно на вход схемы. Структурная схема усилителя с обратной связью приведена на рис. 6, где показаны усилитель с к оэффициентом усиления К_u, охваченный обратной связью, и цепь обратной связи с коэффициентом передачи χ. Введение обратной связи призвано улучшить показатели усилителя или придать ему некоторые специфические свойства.

Обратная связь называется положительной, если передаваемый ею сигнал складывается в фазе с входным сигналом, и отрицательной, если указанные сигналы имеют противоположные фазы. В первом случае введение обратной связи увеличивает влияние входного сигнала на усилитель, во втором случае – уменьшает.

Рассмотрим свойства усилителя, охваченного последовательной обратной связью по напряжению (рис. 8.7).

На вход усилителя подается часть выходного напряжения, называемого сигналом обратной связи . Коэффициент передачи цепи обратной связи, таким образом, равен

. (1)

Напряжение на входных зажимах усилителя U₁, охватываемого обратной связью, состоит из суммы напряжений входного сигнала U_вх и сигнала обратной связи U_ос:

_. (2)

Плюс в формуле (2) соответствует положительной обратной связи (ПОС), минус – отрицательной (ООС). ПОС применяется в схемах генераторов электрических колебаний. В других схемах чаще используется ООС.

Будем полагать, что в схеме усилителя на рис. 7 реализована ООС.

Коэффициент усиления усилителя без обратной связи можно записать в виде

. (3)

Коэффициент усиления с обратной связью – в виде

. (4)

Тогда, используя формулы (1) - (3), можно получить

. (5)

Выражение в формуле (5) называется глубиной обратной связи, которая показывает во сколько раз уменьшается коэффициент усиления схемы при введении ООС.

Формулу (5) можно переписать в виде

, (6)

откуда следует, что при больших значениях коэффициента К коэффициент усиления усилителя с обратной связью становится независимым от значения К:

и определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи .

Это обстоятельство является исключительно важным с точки зрения получения строго заданных значений и обеспечения стабильности .

Во-первых, поскольку цепь ООС обычно выполняется на пассивных элементах и чаще всего представляет собой резистивный делитель напряжения, то, изменяя сопротивление резисторов этой цепи, легко получить заданные значения , причем, с точностью и стабильностью, определяемой только точностью и стабильностью резисторов. Во-вторых, нет необходимости добиваться четкой воспроизводимости значения коэффициента К усилителя без обратной связи, поскольку от его значения коэффициент усиления схемы не зависит. Достаточно лишь обеспечить большое значение К.

При введении в схему ООС полоса пропускания усилителя (диапазон усиливаемых частот) расширяется. Это объясняется тем, что коэффициент усиления усилителя К без обратной связи уменьшается на нижних и верхних частотах (см. рис. 2) и, следовательно, уменьшается напряжение обратной связи U_ос на этих частотах, что ведет к увеличению напряжения U₁ (см. формулу (2)) и выходного напряжения U_вых. Другими словами, на границах диапазона частот вместе с уменьшением К уменьшается глубина ООС, что в соответствии с формулой (5) обеспечивает неизменность до тех пор, пока выполняется условие .

Таким образом, при введении ООС происходит выравнивание амплитудно-частотной характеристики усилителя зa счет неодинакового уменьшения коэффициента усиления на средних, нижних и верхних частотах.

ООС уменьшает нелинейные напряжения в усилителе.

Если в усилителе имеются нелинейные искажения, то в составе выходного сигнала кроме гармоник, соответствующих входному сигналу, присутствуют дополнительные высшие гармоники. Сигнал, образуемый этими гармониками, через цепь ООС подается на вход схемы, оказывая такое воздействие на усилитель, при котором уровень этого сигнала на выходе уменьшается.

ООС влияет на входное и выходное сопротивление усилителя. Параллельная OOС уменьшает, а последовательная увеличивает входное сопротивление, ООС по напряжению уменьшает, а ООС по току увеличивает выходное сопротивление. Комбинируя типы обратных связей можно обеспечивать любые условия согласования (по напряжению, току или мощности) усилителя на входе и выходе с источником сигнала и нагрузкой.