Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра радиотехнических систем

621.391(07)

Б14

В.Н.Багаев

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Учебное пособие

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

2004

УДК 621.391.26(075.8)

Багаев В.Н. Исследование устройств обработки аналоговых сигналов: Учебное пособие. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ. 2004. - 48 с.

Учебное пособие содержит пять лабораторных работ и необходимые ука­зания по исследованию линейных и нелинейных схем на базе транзисторов и ин­тегральных операционных усилителей, широко применяемых в современных ра­диоэлектронных устройствах. Вопросы устройства, принципа действия и теории затрагиваются лишь в той мере, в какой это необходимо для более четкого по­нимания цели и методов исследования. Предполагается, что перед выполнением лабораторных работ эти вопросы предварительно прорабатываются студентами на лекциях и по рекомендованным учебникам.

Учебное пособие предназначено в помощь студентам, изучающим курс «Аналоговые устройства», для подготовки к лабораторным работам в лаборато­рии схемотехники.

Ил. 42, список лит, - 14 назв.

Одобрено учебно-методической комиссией приборостроительного факультета.

Рецензенты: М.Ю. Катаргин, А.А. Бондаренко.

Isbn 5-696-03182-X © Издательство юУрГу, 2004 оглавление

Лабораторная работа № 2 13

Основные правила техники безопасности в лаборатории схемотехники

1. Перед выполнением лабораторной работы преподаватель должен озна­комить студентов с правилами безопасности работы в лаборатории, а также с оборудованием и приборами. Знание студентами правил безопасности фиксиру­ется в специальном журнале.

2. Перед началом лабораторных занятий студенты должны ознакомиться с лабораторным стендом, предназначенным для выполнения конкретной лабора­торной работы. Если же обнаружена неисправность электрооборудования (по­вреждение изоляции, неисправность розеток, выключателей и др.), следует не­медленно сообщить об этом преподавателю. Работать с неисправным электро­оборудованием запрещается!

3. Включение любой вновь собранной схемы допускается лишь с разреше­ния преподавателя.

4. Студент должен выполнять порученную ему работу и доводить ее до конца.

5. В лаборатории без разрешения преподавателя категорически запрещает­ся:

трогать, включать и отключать рубильники, выключатели и приборы;

касаться зажимов машин, приборов и автоматов, производить переключе­ние и замену приборов в схеме под напряжением.

6. В случае перебоев в электропитании электрооборудование должно быть отключено.

7. На рабочих местах следует соблюдать порядок и чистоту.

8. Работающие в лаборатории обязаны бережно относиться к приборам и лабораторному оборудованию.

Лабораторная работа № 1

Исследование характристик усилителей на биполярных транзисторах

1. Цель работы

Исследование основных схем включения биполярных транзисторов в уси­лительном режиме входных сигналов низкой частоты.

Рекомендуемая литература [7-11].

2. Общие сведения

При решении многих инженерных задач, например, при измерении электрических величин, приеме радиосигналов, контроле и автоматизации техноло­гических процессов, возникает необходимость усиления электрических сигналов.

Для этого используются усилители, т.е. устройства для усиления напряже­ния, тока и мощности. В современных усилителях, применяемых в электронике, используются биполярные, полевые транзисторы и аналоговые интегральные микросхем.

Простейшим усилителем является усилительный каскад (рис. 1.1), содер­жащий управляемый активный элемент УЭ, как правило, биполярный или поле­вой транзистор, резистор R и источник электрической энергии Е. Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение Uвх (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения Uвых (усиленный сигнал). Усиленный сигнал имеет значительно большую мощ­ность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала проис­ходит за счет источника электрической энергии Е. Процесс усиления осуществ­ляется посредством управляемого элемента УЭ а, следовательно, и тока в вы­ходной цепи под воздействием входного напряжения или тока. Выходное на­пряжение снимается с управляемого элемента УЭ относительно общего провода схемы. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС Е в энергию выходного сигнала за счет из­менения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Усилительные свойства усилителя зависят от степени влияния входного сигнала на ток управляемого элемента: чем больше это влияние, тем значитель­нее падение напряжения от тока УЭ на резисторе R, а значит, и выходное напря­жение, которое зависит также от сопротивления резистора R.

Основными параметрами усилительного каскада являются коэффициент усиления по напряжению К_U = Uвых / Uвх, коэффициент усиления по току К_I = Iвых/Iвх и коэффициент усиления по мощности.

Обычно в усилительных каскадах все коэффициенты усиления значи­тельно больше единицы. Однако в некоторых усилительных каскадах один из двух коэффициентов усиления может быть меньше единицы, т.е. К_U <1 или

К_I <1. Но в любом случае коэффициент усиления по мощности К_Р >1, а чаще все­го К_P » 1. В зависимости от того, какой параметр входного сигнала (напряже­ние, ток или мощность) требуется увеличить с помощью усилительного каскада, различают усилительные каскады напряжения, тока и мощности.

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на бипо­лярных транзисторах является каскад с общим эмиттером (каскад ОЭ). В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор R_K (рис. 1.2), с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора. Полярность источника электриче­ской энергии (источника питания) Еп по отношению к коллекторной цепи зави­сит от типа транзистора.

Для коллекторной цепи усилительного каскада можно записать

т.е. сумма падения напряжения на резисторе R_K и коллекторного напряжения Uк транзистора всегда равна величине Ек.

Рис. 1.2. Усилительный каскад с общим эмиттером

Резистор R_Б включенный в цепь базы, обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Эта рабочая точка покоя соответствует примерно середине линейного участка переходной характеристики усилительного каскада. Для обеспечения укачанного режима со­противление резистора R_Б следует определять по формуле

где U_Б и I_Б — соответственно напряжение и ток базы и отсутствие входного сиг­нала.

Конденсатор С_P служит для разделения по постоянному напряжению ис­точника входного сигнала и базы транзистора VT1. Конденсатор связи Сс на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение из коллекторного напряже­ния переменной составляющей выходного сигнала.

Входное сопротивление усилительного каскада с ОЭ на низких частотах можно найти по формуле

где - входное сопротивление транзистора.

Выходное сопротивление каскада определяется из выражения

Входное сопротивление каскада с ОЭ обычно лежит в пределе от несколь­ких сотен Ом до нескольких кОм. Выходное сопротивление обычно больше входного. Низкое входное и высокое выходное сопротивления создают значи­тельные трудности при работе усилительного каскада с высокоомным источни­ком усиливаемого Евх и низкоомным R_H.

Усилительный каскад с ОЭ усиливает напряжение, а также ток и мощ­ность.

Схема усилительного каскада с общим коллектором (каскад ОК) приве­дена на рис. 1.3. В этом каскаде резистор, с которого снимается выходное на­пряжение Uвых включен в эмиттерную цепь, а коллектор соединен с источником питания. Учитывая то, что внутреннее сопротивление источника питания +Е_К для переменной составляющей сигнала невелико, можно считать, что коллектор транзистора соединен с общей точкой схемы. Таким образом, входное напряже­ние подается между базой и коллектором через конденсатор С_Р, а выходное на­пряжение, равное падению напряжения на резисторе R_Э от переменной состав­ляющей эмиттерного тока,, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи С_С.

-Ек

Рис. 1.3. Усилительный каскад с общим коллектором

Коэффициент усиления по напряжению каскада ОК меньше единицы, по­этому его правильнее называть коэффициентом передачи напряжения, и он вы­ражается формулой

Поскольку h₁₁ и R₃ имеют одинаковый порядок, a h₂₁ »1 (коэффициент усиления транзистора β), коэффициент K_U мало отличается от единицы и обычно равен 0,9...0,99. Выходное напряжение каскада ОК совпадает по фазе с входным. Схему каскада с ОК часто называют эмиттерным повторителем.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя

Поскольку значение K_U близко к единице, R_BX эмиттерного повторителя много больше входного сопротивления h₁₁ транзистора и достигает нескольких сотен кОм. Выходное сопротивление эмиттерного повторителя

и имеет значение порядка единиц и десятков Ом. Таким образом, эмиттерный повторитель обладает большим входным и малым выходным сопротивлениями. Следовательно, его коэффициент усиления по току может быть очень высоким. Эмиттерный повторитель обычно применяется для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством.