Лабораторные работы по эстау 2 Лабораторная работа №5 Частотные характеристики усилителя

Цель работы – изучение амплитудно - частотных характеристик усилителя.

Задание:

1. Исследования в системе моделирования Electronics Workbench.

2. Получить частотную характеристику усилителя в режиме моделирования анализа по переменному току и исследовать влияние на нее емкостных элементов в схеме усилителя.

3. Определить время нарастания выходного сигнала усилителя использованием измерительных возможностей осциллографа и исследовать влияние на него емкостных элементов в схеме усилителя.

Оборудование рабочего места:

-  компьютер с загруженной программной средой Electronics Workbench.

Методические указания к выполнению работы.

Краткие сведения из теории.

Из-за присутствия емкостных элементов в схеме усилителей или из-за паразитных емкостей в них возникают так называемые частотные (линейные) искажении. Напоминаем, что искажения, обусловленные неудачным заданием рабочей точки по постоянному току, назывались нелинейными искажениями. Частотные искажения усилителя выражаются в том, что синусоидальные сигналы различных частот усиливаются в нем по разному, т.е. коэффициент усиления не остается постоянным во всем диапазоне частот.

Частотные свойства усилителя характеризуются его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). По этой характеристике определяются полоса пропускания усилителя и его нижний и верхний границы. Основное влияние на отклик усилителя в низкочастотной области оказывают разделительные и блокирующие конденсаторы, а при высоких частотах – емкостные свойства транзисторов и различные паразитные емкости, присутствующие в схеме.

Частотные искажения усилителя проявляются в неадекватном изменении формы сложных сигналов (например, прямоугольных импульсов) на его выходе, т.е. несоответствием форм входного и выходного сигналов. Это свойство усилителя характеризуется временем нарастания его выходного сигнала при подаче на его вход прямоугольных сигналов.

Порядок выполнения рабочего задания

1. Соберите схему усилителя (рис. 5.1). Установите синусоидальное напряжение генератора с амплитудой 1 В.

Сначала обеспечиваем появление на схеме имен ее узлов (Show nodes) по команде Circuit/Schematic Options. Затем по команде Analysis/AC Frequency вызываем диалоговое окно, в котором выбираем узел схемы для анализа, устанавливаем параметры анализа и включаем моделирование (Simulate). После этого появляется результат анализа, т.е. АЧХ исследуемого устройства.

2. Устанавливая представленные в таблице 5.1 значения частот входного сигнала, запишите в таблицу амплитудные значения выходного сигнала усилителя.

Таблица 5.1

F,kHz	0.02	0.1	0.2	0.5	1	2	5	10	20	50	100
U, V
Ku

Рис. 5.1. Схема лабораторной установки

3. По полученным данным постройте АЧХ усилителя в виде зависимости K_u = f (F) и определите нижние и верхние границы F_L и F_u (lower, upper) полосы пропускания. При построении АЧХ по горизонтальной оси выберите логарифмический масштаб, что позволит сжать график.

4. Исследовать влияние емкостей конденсаторов в схеме усилителя на его  частотные характеристики можно, изменяя их параметры и получая АЧХ при каждом новом значении емкости. Но система моделирования Electronics Workbench предоставляет более быстрый способ проведения такого исследования путем организации параметрического анализа. Для этого по команде Analysis/Parameter Sweep вызываем соответствующее диалоговое окно, в котором выбираем узел схемы для анализа, выбираем вид анализа (AC Frequency Analysis) и исследуемый элемент (Component), пределы изменения его параметра (Start value, End value) и шаг его изменения (Increment step size), а затем включаем моделирование (Simulate). После этого появляется результат анализа, т.е. несколько АЧХ исследуемого устройства с определенным шагом в пределах установленного параметра.

Проведя параметрический анализ по влиянию емкости во входной цепи на АЧХ усилителя, скопируйте полученные результаты и по ним сделайте соответствующие выводы.

5. Аналогично исследуйте влияние емкости в эмиттерной цепи на АЧХ усилителя.

Подайте на вход усилителя прямоугольный сигнал с частотой 5 MHz и амплитудой 10 mV.

Включите моделирование. Зарисуйте временную диаграмму выходного сигнала усилителя и по ней определите время ее нарастания. Удобно будет работать с расширенным вариантом осциллографа, который предоставляет возможности проведения соответствующих измерений по временным диаграммам сигнала.

Изменяя емкости конденсаторов в схеме усилителя, исследуйте их влияние на время нарастания ее выходного сигнала. Объясните полученные результаты.

6. Отсоедините конденсатор С₃ для включения отрицательной обратной связи (ООС) по переменному току. Устанавливая представленные в таблице 5.2 значения частот входного сигнала, запишите в таблицу амплитудные значения выходного сигнала усилителя.

Таблица 5.2

F,kHz	0.02	0.1	0.2	0.5	1	2	5	10	20	50	100
U, V
Ku

7. По полученным данным усилителя с ООС по переменному току постройте соответствующую АЧХ.

Сравните полученные результаты.

8. Установить генератор на формирование прямоугольного сигнала и повторить пп.1-7. Результаты поместить в соответствующие таблицы.

Контрольные вопросы:

1. Поясните причины появления нелинейных искажений в усилителе.

2. Каким параметром характеризуется степень нелинейных искажений в усилителе?

3. Чем обусловлены частотные искажения выходного сигнала усилителя?

4. Каким параметром характеризуются частотные искажения в усилителе?

5. Как классифицируются усилители по частотным характеристикам?

6. Как определяется полоса пропускания усилителя?

7. Как определяется время нарастания выходного сигнала усилителя?

8. Каково назначение конденсаторов С₁ и С₂ в схеме усилителя?

9. Какую роль играет конденсатор С₃ в схеме усилителя?