Методы к лабам / лаб_раб 23

Петербургский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Радиотехника» В.К Фунзавя

№ 23

Исследование схемы усилителя с отрицательной обратной

связью

Методические указания к лабораторной работе по курсам: «Электронные приборы» и «Электроника»

С-Петербург – 2003г.

2

Методическое указание позволяют выполнить лабораторную работу только на ПК при помощи пакета программ Workbench 5.0.

1. Цель работы.

Целью работы является исследование влияния отрицательной обратной связи на основные параметры усилителя низкой частоты.

2. Краткие сведения из теории.

Отрицательной обратной связью в усилителях называется такая связь между выходом входом усилителя, при которой часть переменного напряжения, получаемого на выходе усилителя, подается на вход со сдвигом по фазе на 1800 относительно переменного напряжения, поданного нам вход усилителя.

По способу получения сигнала обратной связи различают обратную связь по напряжению, когда напряжение боратной связи Uо.с пропорционально напряжению на выходе (рис.1,а), обратную связь по току, когда напряжение обратной связи пропорционально току через нагрузку Iвых = Iн (рис.1,б).

Способы подачи отрицательной обратной связи.

В обратной связи по напряжению Uо.с = β Uвых , где β – коэффициент цепи обратной связи, показывающий какая часть выходного напряжения подается на вход усилителя. В обратной связи по току

Uо.с = Rо.с Iвых , Rо.с - сопротивление цепи обратной связи,

Iвых = Iэ. Тогда β = Iэ Rо.с/ Uвых – коэффициент обратной связи по

току

3

Рассмотрим влияние отрицательной связи на коэффициент усиления усилителя. При отрицательной обратной связи для входной цепи усилителя (рис.1,б) можно составить уравнение

С учетом равенства Uо.с = β Uвых выражение (2.1) можно переписать в виде

Очевидно, для усилителя без обратной связи Uвх = U1, поэтому коэффициент усиления без обратной связи

Учитывая (2.3), запишем выражение для коэффициента усиления усилителя с обратной связью:

Ко.с = Uвых/ Uвх = Uвых/( U1+ β Uвых). (2.4)

Разделив в последнем выражении числитель и знаменатель на U1, получим

Из этой формулы следует, что введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления усилителя в 1 + βК раз. Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную связь в усилителях применяют очень часто. В результате введения отрицательной обратной связи существенно улучшаются свойства усилителя:

-повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов;

-снижается уровень нелинейных искажений;

- увеличение входного и незначительного увеличения выходного сопротивления усилителя при отрицательной обратной связи по току.

Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с обратной связью следует определить его относительное изменение:

δКос =ΔКос/Кос.

Приращение Кос для усилителя с отрицательной обратной

связью

4

К

Кос = ( 1 + βК)2

Тогда, относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью

К/К

δКос =

1+ βК .

Отсюда видно, что всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием отрицательной обратной связи в 1 + βК раз.

Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех изменений коэффициента усиления К , в том числе связанных с неравномерностью частотной характеристики. Поэтому в усилителе с отрицательной обратной связью расширяют полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот, умешают частотные искажения.

Введение обратной связи увеличивает входное сопротивление усилителя. Входное сопротивление усилителя с отрицательной обратной связью можно определить, если составить уравнение, исходя из выражения

(2.4) и учитывая, что U1 = Rвх Iвх , Uвх = Rвх. ос Iвх . Принимая также во внимание, Uвых = К U1, уравнение (2.4) можно записать в виде

Rвх. ос Iвх = Rвх (1+ βК) Iвх ,

Таким образом, входное сопротивление усилителя за счет введения отрицательной обратной связи увеличивается в 1 + βК раз:

Rвх. ос = Rвх (1+ βК).

Для оценки свойств усилителя на разных частотах используют амплитудно-частотную Кu = f (ƒ) характеристику (рис. 2). Эта характеристика зависит от нелинейных элементов схемы усилителя что, приводит к появлению частотных искажений. Коэффициент усиления на низких частотах уменьшается из-за разделительных конденсаторов, включенных последовательно прохождению усиливаемого сигнала, а на верхних частотах начинают проявляться паразитные емкости монтажа схемы усилителя и межэлектродные емкости транзистора, которые включены параллельно прохождению сигнала, что также приводит к снижению коэффициента усиления. Частотные искажения оценивают по виду амплитудно-частотной характеристики усилителя. При построении амплитудно – частотной характеристики усилителя, из-за широкого частотного диапазона, частоты откладывают по горизонтальной оси в логарифмическом масштабе. Рабочий диапазон усилителя определяют его граничными низшей f и высшей f частотами, значения которых

6

В этой схеме применяется отрицательная обратная связь току. Переменный ток эмиттера Iэ протекает через резистор Rэ, включенный между эмиттером и землей, и создает напряжение обратной связи Uос = Rэ Iэ, сдвинутое по фазе относительно входного напряжения Uвх на 1800.

С помощью ключа Кл можно шунтировать резистор Rэ, т.е. исследовать схему без отрицательной обратной связи (ключ замкнут) и с отрицательной обратной связью (ключ разомкнут).

4.Порядок выполнения работы

4.1Исследование схемы усилителя без отрицательной обратной

связи.

1.Смоделировать схему усилителя в соответствии с рисунком 3.

2.Ключ К – замкнуть.

3.Устанавливая значения э.д.с. генератора, указанные в первой строке таблицы 1, снимать показания приборов: амперметра М1 (Iвх),

вольтметра М2(Uвх), амперметра М3 (Iвых) и вольтметра М4 (Uвых).Частота переменной э.д.с. генератора должна быть установлена F = 1000 Гц.

4. Результаты измерений записать в соответствующие строки указанной таблицы.

Таблица 1

εг,мВ 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160

измерить

Uвх,мВ

Uвых,мВ

Iвх µА

Iвых µА

вычислить

Кu

Rвх, ОМ

Rвых,ОМ

7

4.2 Исследование усилителя с отрицательной обратной связью

Повторить п.п 1,2,3,4 при разомкнутом ключе К. результаты измерений записать в таблицу 2.

Таблица 2

4.3 Снять амплитудночастотную характеристику усилителя без отрицательной обратной связи.

1.Ключ К замкнуть.

2.Установить э.д.с. генератора εг =50мВ.

3.Изменяя частоту генератора в пределах, указанных в первой

строке таблицы 3, измерять входное (вольтметр М2) и выходное (вольтметр М4) напряжения усилителя.

4. Результаты измерений записать в таблицу 3.

8

4.4 Снять амплитудночастотную характеристику усилителя с отрицательной обратной связью.

Повторить п.п 2,3,4 при разомкнутом ключе К.

измерить

Uвх ,ос,мВ

Uвых,осмВ

вычислить

Kос

Kос/К0 ос

5.Обработка материала

5.1По данным таблиц 1 и 2 рассчитать:

- коэффициенты усиления по напряжению усилителя без отрицательной обратной связи и с отрицательной обратной связью;

Кu = U вых/ Uвх, Кос = U вых, ос/ Uвх, ос

- входное сопротивление усилителя без отрицательной обратной связи и с отрицательной обратной связью;

Rвх, = Uвх/Iвх , Rвх ос = Uвх,ос /Iвх,ос .

- выходное сопротивление усилителя без отрицательной обратной связи и с отрицательной обратной связью;

Rвых =Uвых/Iвых , Rвых, ос = Rвых + Rос .

Результаты вычислений записать в соответствующие строки таблиц 1и 2.

По данным таблиц 3 и 4 рассчитать коэффициенты усиления усилителя без отрицательной обратной связи и с отрицательной обратной связью в зависимости от частоты входного сигнала;

Кu = U вых/ Uвх, Кос = U вых, ос/ Uвх, ос ,

а также их нормированные значения Ku/К0 и Kос/К0 ос для удобства построения амплитудно-частотных характеристик.

9

Результаты вычислений записать в соответствующие строки таблиц 3 и 4.

5.2 Построить на одной координатной сетке по данным таблиц 1 и

2 амплитудные характеристики: U вых = f(Uвх) и U вых, ос = f(Uвх, ос). 5.3 Построить по данным таблиц 3 и 4 нормированные

амплитудно-частотные характеристики: Ku/К0 = f(ƒ) и Kос/К0 ос = f(ƒ).

6. Содержание отчета.

Отчет должен содержать:

1.Цель работы.

2.Принципиальную электрическую схему исследуемого усилителя.

3.Заполненные таблицы 1 – 4 с примерами вычислений.

4.Графики зависимостей, указанных в пп 5.2 и 5.3.

5.Подробные выводы по каждому пункту лабораторной работы.

Список рекомендуемой литературы.

1. Либерман Ф.Я. Электроника на железнодорожном транспорте.- М. : транспорт, 1987.

2. Шилейко А.В. Электронные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. – М.: транспорт, 1989.

10

Петербургский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Радиотехника»

Отчет по лабораторной работе Исследование схемы усилителя с отрицательной обратной связью.

Выполнил доц. Фунзавя В.К.