II функциональные узлы для обработки аналоговых сигналов

8 Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДИНОЧНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа работы усилителей, исследование характеристик и определение их параметров.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1. Общие сведения

Усилитель - это устройство в котором осуществляется увеличение мощности входного (управляющего) сигнала за счет энергии источника питания. Усилители являются наиболее распространенными функциональным узлом электронных схем.

Процесс усиления осуществляется изменением тока или сопротивления нелинейного управляемого элемента (рисунок 8.1), под действием входного сигнала a, следовательно, тока в выходной цепи.

а б

Е1 - источник сигнала; Е2 - усилитель; Е3 – нагрузка; Е2.1 – входная цепь; Е2.5 – выходная цепь; Е2.2 – источник питания; Е2.4 – цепь обратной связи; Е2.3 – нелинейный элемент

Рисунок 8.1 - Функциональная схема усилителя

Выходное напряжение снимается с НЭ или с резистора R. Необходимым условием усиления являются малая мощность входного сигнала необходимая для изменения параметров НЭ. Выходной сигнал  образуется от протекания тока источника питания, который может быть гораздо больше входного, что и позволяет получить усиление по мощности.

Таким образом, в состав усилителя входят нелинейный элемент, источник питания, нагрузочный резистор, узлы для подачи и съема сигнала. Кроме того, в усилителе, как правило, существует или специально вводится обратная связь. Обратные связи в усилителе используются для улучшения параметров и характеристик.

Усилители классифицируют :

1.по назначению - переменного, постоянного тока, импульсные;

2.по частоте - низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ);

3.по ширине полосы усиливаемых частот – широкополосные, узкополосные (избирательные), усилители постоянного тока;

4.по способу подачи и съема сигналов - с непосредственной связью, с емкостной, с индуктивной, с оптической связью;

5.по количеству каскадов - однокаскадные, многокаскадные.

Кроме подразделения по рассмотренным признакам, используют и другие классификационные параметры: по типу нагрузки, элементной базе, принципу усиления и т.п.

8.2.2 Параметры и характеристики усилителей

Коэффициент усиления (коэффициент передачи) - это отношение выходного значения усиливаемой величины к входной. Различают коэффициент усиления по напряжению – К_u = U_вых/U_вх, коэффициент усиления по току – K_I = I_вых/I_вх и коэффициент усиления по мощности – К_р = р_вых/р_вх. Наряду с относительными единицами, часто используют логарифмические единицы измерения (децибел). При этом коэффициенты усиления определяются следующим образом:

K_u = 20lg(U_вых/U_вх); K_I = 20lg(I_вых/I_вх);

K_р = 10lg(P_вых/P_вх). (3.40)

Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) - это такая область частот в которой коэффициент усиления уменьшается относительно своего значения на средней частоте на заданное значение. Чаще всего полосу пропускания определяют на уровне 3_дБ (в 1.41 раза) по нормированной амплитудно-частотной характеристике

f = f_в  - f_н (3.41)

где f_в - высшая частота диапазона;

f_н - низшая частота диапазона;

Номинальная выходная мощность  - это мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте нелинейных искажений.

Динамический диапазон  - это отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему значению:

D = U_вх.max/U_вх.min; D(дБ) = 20lg(U_вх.max/U_вх.min) (3.42)

Под допустимыми значениями напряжений понимают такие при которых выходной сигнал не искажается.

Коэффициент частотных искажений  - это отношение коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на заданной частоте. Обычно коэффициент частотных искажений определяют для f_в и f_н, соответственно, и называют коэффициенты.

С помощью коэффициентов М_н и М_в  оценивают искажение выходного сигнала за счет неравномерности АЧХ и ФЧХ. Искажения появляются при усилении сигналов сложной формы. В соответствии с разложением в ряд Фурье, сигнал сложной формы представляется как сумма гармонических составляющих соответствующей частоты, амплитуды и фазы. Если при усилении гармонические составляющие сигнала будут усиливаться в разной степени и иметь различные фазовые сдвиги, то, очевидно, что форма выходного сигнала не будет соответствовать входному.

Коэффициент нелинейных искажений  оценивает степень искажения входного сигнала за счет нелинейности передаточной характеристики и определяется следующим образом:

В числителе подкоренного выражения - сумма мощностей всех высших гармоний, а в знаменателе - полная мощность сигнала.

Коэффициент полезного действия определяется как отношение выходной мощности усилителя к полной мощности, потребляемой от источника питания

 = P_вых/P₀

Как четырехполюсник усилитель оценивается входным и выходным сопротивлением, коэффициентом обратной связи по напряжению.

Кроме того, параметрами усилителя являются диапазон рабочих температур, допустимые вибрации и ударные нагрузки, напряжение питания.

В зависимости от назначения усилителя они могут оцениваться и другими параметрами, например, напряжение смещения, время задержки сигнала и т.п.

Основными характеристиками усилителя являются амплитудная, амплитудно-частотная, фазочастотная и переходная (рисунок 8.2).

Амплитудная характеристика - это зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения усилителя от амплитуды гармонического входного напряжения. Для исключения нелинейных искажений характеристика должна быть линейной (рисунок 8.2а кривая 1). Реальные характеристики (кривые 2,3) отличаются от линейной. В связи с этим, рабочую точку усилителя и допустимые значения входного сигнала выбирают таким образом, чтобы использовать только линейный участок. Этим, собственно, и определяется динамический диапазон усилителя.

а б в г

а- амплитудная (передаточная); б - амплитудно-частотная;

в - фазочастотная; г - переходная.

Рисунок 8.2 - Характеристики усилителя

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (рисунок 8.2б). На практике чаще всего используют нормированную характеристику, т.е. строят зависимость отношения коэффициента усиления к его значению на средних частотах. Уменьшение коэффициента усиления в области низших и высших частот происходит из-за наличия в усилителе реактивных элементов (емкости, индуктивности) и зависимости свойств активного элемента от частоты. К_у в полосе рабочих частот не должен зависеть от частоты.

Фазочастотная характеристика  (ФЧХ) - это зависимость сдвига фазы выходного сигнала относительно входного от частоты (рисунок 8.2в). Замечания приведенные относительно хода АЧХ относятся и ФЧХ.

Переходная характеристика  (ПХ) - это зависимость выходного напряжения от времени при воздействии на вход одиночного импульса (рисунок 8.2г). При подаче на вход прямоугольного импульса его выходное напряжение будет отличаться по форме. Искажение формы заключается в следующем: возникает задержка выходного напряжения во времени и происходит уменьшение крутизны фронта; наблюдается неравномерность вершины импульса, выражающаяся в медленном спаде напряжения или возникновении затухающих колебаний; по окончании входного импульса выходное напряжение падает до нуля с некоторой задержкой, при этом крутизна заднего фронта уменьшается. В конечном итоге на форму выходного импульса оказывают влияние переходные процессы в реактивных элементах усилителя. Оцениваются искажения временем установления (t_у), временем восстановления (t_в) и величиной неравномерности вершины. ПХ пользуются при анализе работы импульсных усилителей.