Исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе
Цель работы: исследовать усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, определить его основные качественные показатели и характеристики, выявить влияние элементов на свойства усилителя.
Следует заметить, что ни в одном устройстве, которое относят к классу усилителей в явном виде усиление сигнала не происходит, а имеет место процесс управления. Т.е. входной сигнал воздействуя на активные элементы, например транзистор, определяет какую долю энергии (мощности) от источника питания передать в нагрузку. И этот процесс управления внешне воспринимается как усиление. При этом мощность, отдаваемая в нагрузку всегда больше мощности потребляемой усилителем от источника сигнала, обеспечивающего управление усилителем.
Таким образом к усилителям относятся устройства, в которых наблюдается эффект усиления по мощности, т.е. выполняется условие:
где:
КР - коэффициент усиления по мощности;
РВЫХ - мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;
РВХ - мощность, потребляемая усилителем от источника входного сигнала.
Усилители, выполненные на лампах, биполярных и полевых транзисторах, называются электронными.
П
риведем
основные качественные показатели и
характеристики электронных усилителей.
В общем виде структура любого усилителя
может быть представлена в виде
четырехполюсника, как это показано на
рис. 1.
Рис. 1
Коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности определяются в виде:
Иногда указанные коэффициенты выражают в децибелах:
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показывает зависимость модуля соответствующего коэффициента усиления от частоты. На рис. 2. приведены АЧХ для различных типов усилителей:
АЧХ для усилителя переменного тока;
АЧХ для усилителя постоянного тока (УПТ);
АЧХ избирательного усилителя (р1 —резонансная частота);
А
ЧХ
режекторного усилителя (р2
- частота режекции);
Рис. 2
3
.
Фазочастотная характеристика (ФЧХ)
показывает зависимость фазового сдвига
выходного сигнала относительно входного
в зависимости от частоты.
Рис. 3
На рис.3 приведены АЧХ и ФЧХ для усилителя переменного тока.
Изменение коэффициента усиления от частоты и появления фазового сдвига можно объяснить наличием реактивных элементов (C,L) в схеме усилителя, сопротивления которых изменяется в зависимости от частоты. В целом ряде электронных цепей, в том числе и в усилителях, можно выявить однозначную связь между К() и (). Такие цепи называются минимально-фазовыми. Т.е. в том частотном диапазоне, где наблюдается изменение амплитуды, будет наблюдаться и изменение фазы, что и просматривается на рис.3.
4. Частотные искажения и диапазон усиливаемых частот.
В усилителе задается диапазон усиливаемых частот (н, в или fн, fa) или полоса пропускания усилителя =в-н, т.е. диапазон частот, в пределах которого неравномерность АЧХ составляет не более заданного, например для радиовещательных усилителей порядка 3 дб.
В зависимости от требований, предъявляемых к усилителю, указанные частоты могут отличаться на несколько порядков.
Весь частотный диапазон условно разбивают на три области: область нижних частот (НЧ), область средних частот (СЧ), область верхних частот (ВЧ). Под областью средних частот обычно понимают ту область, где изменение коэффициента усиления усилителя незначительно. В области нижних и верхних частот наблюдается в большинстве случаев уменьшение коэффициента усиления или «завал» характеристики.
На нижних и верхних частотах, как
правило, не задают коэффициентов
усиления, а используют коэффициенты
частотных искажений (
),
которые показывают, во сколько раз
коэффициент усиления на соответствующей
частоте меньше (больше), чем коэффициент
усиления на средней частоте.
В соответствии со сказанным для нижних частот:
и верхних частот
Реальные значения |
|лежит
в пределах 1.001 -
.
Частотные искажения, также как и «завал» в АЧХ определяется реактивными элементами, которые в первом приближении можно считать линейными.
Если на вход усилителя, имеющего частотные искажения, подать простой сигнал, состоящий из одной гармонической составляющей, то изменения формы на выходе усилителя наблюдаться не будет. Если же подать сложный сигнал, состоящий из нескольких гармонических составляющих, то из-за разного коэффициента усиления для каждой составляющей и соответственно разного фазового сдвига форма суммарного сигнала на выходе усилителя будет отличаться от формы сигнала, поданного на вход, т.е. в этом случае появится искажение формы сигнала.
5. Амплитудная характеристика и нелинейные искажения.
А
мплитудная
характеристика показывает зависимость
амплитуды выходного напряжения усилителя
от амплитуды входного. На рис.4 приведена
идеальная амплитудная (зависимость
«а»), которая
представляет прямую линию. Реальная
(зависимость «б») имеет нелинейную
зависимость.
Рис. 4
При Uвх=0, на выходе усилителя присутствует сигнал, обусловленный наличием шума элементов усилителя, наводок и т.д. (Uш), т.е формируется участок 1. По мере увеличения входного сигнала влияние шумов становится меньше и формируется квазилинейный участок 2. Если на вход поступил сигнал больше Uвх max, усилитель начинает работать в режиме ограничения сигнала, участок 3. Таким образом, зависимость Uвых от Uвх является нелинейной и этот факт обусловлен в основном наличием нелинейных элементов, в частности транзистор. Для характеристики качества усилителя вводят понятие динамического диапазона усиления:
Наличие нелинейности приводит и к тому, что в спектре выходного сигнала появляются более высокочастотные составляющие (высшие гармоники Ur), которые суммируясь с усиленным сигналом вызывают дополнительные искажения сигнала и называются нелинейными искажениями. Для оценки нелинейных искажений введено понятие коэффициента нелинейных искажений, который определяется следующим образом:
где: Ur1 - амплитуда усиленного сигнала; Ur2,3,4 -амплитуды высших гармоник, возникших в результате нелинейных искажений.
Следует заметить, что при наличии нелинейных искажений, искажение формы выходного сигнала будет наблюдаться даже в том случае, когда на вход подан сигнал, содержащий только одну гармоническую составляющую.