Фгбоу впо “Воронежский государственный технический университет”

Кафедра робототехнических систем

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ

Методические указания

к лабораторной работе № 3 по дисциплине

“Электроника” для студентов направления 151900.62 “Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств” (профили “Металлообрабатывающие станки и комплексы”,

“Конструкторско-технологическое обеспечение кузнечно-штамповочного производства”, “Технология машиностроения”) очной формы обучения

Воронеж 2013

Составители: канд. техн. наук В.А. Медведев,

канд. техн. наук А.К. Муконин

УДК 621.38

Исследование усилителя: методические указания к лабораторной работе № 3 по дисциплине “Электроника” для студентов направления 151900.62 “Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств” (профили “Металлообрабатывающие станки и комплексы”, “Конструкторско-технологическое обеспечение кузнечно-штамповочного производства”, “Технология машиностроения”) очной формы обучения / ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”; сост. В.А. Медведев, А.К. Муконин. Воронеж, 2013. 25 с.

Методические указания содержат теоретические сведения о классификации и характеристиках усилителей, видах обратных связей, усилителе напряжения с резистивно-емкостной связью, операционных усилителях, их основных параметрах, схемах на основе операционных усилителей. Сформулированы программа лабораторной работы и контрольные вопросы.

Методические указания предназначены для студентов 2 курса очной формы обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде в  текстовом редакторе MS Word и содержатся в файле МУ_лаб 3_Электроника.doc

Табл. 1. Ил. 15. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. А.П. Харченко

Ответственный за выпуск зав. Кафедрой д-р техн. Наук, проф. А.И. Шиянов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

с ФГБОУ ВПО “Воронежский

государственный технический университет”, 2013

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ

1. Цель работы

Изучение структуры и характеристик усилителей на транзисторах, схем на основе операционных усилителей. Исследование усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Классификация и характеристики усилителей

Усилитель – электронное устройство, предназначенное для увеличения амплитуды входного сигнала за счет энергии включенного источника питания. В зависимости от характера нагрузки различают усилители напряжения, тока и мощности. Усилители характеризуются коэффициентами усиления по напряжению К_U, по току К_I и по мощности К_P. Выходное напряжение и его приращение определяются следующим образом:

U_вых = K_U U_вх, ΔU_вых = K_U ΔU_вх, (2.1)

где U_вх, ΔU_вх – входное напряжение и его приращение.

Коэффициент усиления часто выражается в децибелах. При этом он определяется следующим образом:

K_U (дБ) = 20 lg K_U, K_P(дБ) = 10 lg K_P. (2.2)

Частотные свойства усилителя описывают с помощью амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик.

А мплитудно-частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления от частоты. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) для усилителя переменного тока представлена на рис. 2.1.

Отмеченные на рис. 2.1 частоты f_н и f_в определяют нижнюю и верхнюю граничные частоты усиления, а их разность – полосу пропускания усилителя.

В зависимости от полосы пропускания усилителя различают:

- усилители постоянного тока;

- усилители переменного тока;

- усилители низкой частоты;

- усилители высокой частоты;

- усилители широкополосные;

- усилители узкополосные;

- усилители резонансные.

Н а рис. 2.2 представлена амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока, отличие которой от АЧХ усилителя переменного тока заключается в том, что на частотах, близких к нулю, коэффициент усиления не уменьшается.

Фазо-частотная характеристика – зависимость фазового сдвига между входным и выходным синусоидальными сигналами от частоты.

Усилители характеризуют также входным и выходным сопротивлением, выходной мощностью на заданном сопротивлении нагрузки, коэффициентом полезного действия, коэффициентом нелинейных искажений и другими параметрами.

У силитель изображается в виде прямоугольника с символом функции в верхней строке условного обозначения (рис. 2.3, а). В средствах автоматики усилитель показывают в виде треугольника (рис. 2.3, б), к которому могут быть подведены изображения проводов питания.

Чтобы усилитель имел требуемый коэффициент усиления, его строят с использованием последовательно включенных усилительных каскадов.

Каскад – простейший усилитель, организованный по функционально законченной схеме. Каскад содержит один усилительный (активный) прибор и необходимые вспомогательные элементы (иногда тоже выполненные на основе активных приборов).

По месту положения в усилителе различают входные, выходные, промежуточные каскады.

Входные каскады решают проблему сопряжения усилителя с источником сигналов и обычно имеют большое входное сопротивление.

Выходные каскады обеспечивают заданную нагрузочную способность и часто имеют большой коэффициент усиления по току при небольшом коэффициенте усиления по напряжению. Расчёт усилителя ведут, начиная с выходных каскадов, чем обеспечивается требуемая нагрузочная способность.

С труктура многокаскадного усилителя показана на рис. 2.4.

Общий коэффициент усиления при этом определяется произведением коэффициентов усиления всех последовательно включенных каскадов:

K_U = K₁ K₂ ... K_n. (2.3)

Заметим, что при наличии помехи наиболее опасна та помеха, которая действует на входы первых каскадов, поскольку она усиливается всеми каскадами усилителя. Поэтому часто входные цепи первого каскада экранируют, пытаясь тем самым защитить их от воздействия наведённых из внешней среды электромагнитных помех.

Для построения многокаскадных усилителей используют два основных принципа – последовательной и параллельной обработки информации. В первом случае сигнал в процессе усиления проходит последовательно ряд устройств. Во втором случае сигнал поступает на входы нескольких устройств (каналов) одновременно, обрабатывается (или усиливается), а выходной сигнал образуется суммированием выходов отдельных каналов.

Так же как и усилитель в целом отдельный каскад характеризуется рядом показателей, позволяющих оценить его качество и пригодность для конкретного применения. Свойства каскада с точки зрения применения его как в составе усилителя, так и автономно, описываются следующими основными показателями:

коэффициент усиления;

входное сопротивление;

выходное сопротивление;

полоса пропускания;

линейность амплитудной характеристики;

максимальная амплитуда неискаженного выходного сигнала (при допустимом коэффициенте нелинейных искажений);

потребляемая мощность;

чувствительность основных показателей к дестабилизирующим воздействиям (температуре окружающей среды, напряжению питания, разбросу параметров элементов и т.п.).

Кроме того, каскады могут характеризоваться конструктивными, технико-экономическими и рядом других показателей (коэффициент шума, динамический диапазон и т.д.).

2.2. Обратная связь в усилителях

Сильная зависимость параметров транзистора от температуры, изменение параметров со временем и значительный разброс от экземпляра к экземпляру вызывают необходимость принятия специальных мер для обеспечения стабильности и повторяемости основных свойств усилительных каскадов. Дестабилизирующие факторы влияют как на режим покоя каскада, так и на показатели каскада.

Основными средством повышения стабильности усилительных каскадов и усилителей является введение отрицательных обратных связей.

Обратной называется связь, при которой происходит передача сигнала из выходной цепи во входную цепь. Основные виды обратных связей (ОС), используемых в усилителях, показаны схематично на рис. 2.5. Приняты следующие обозначения:

ИС – источник сигнала;

– звено прямой передачи сигнала;

Н – нагрузка;

– звено обратной передачи сигнала;

Z_c и Z_ос – комплексные сопротивления.

В зависимости от способа подачи сигнала ОС на вход различают последовательную (рис. 2.5, а) и параллельную (рис. 2.5, б) ОС; по способу связи с нагрузкой различают ОС по току (рис. 2.5, а) и по напряжению (рис. 2.5, б). Кроме показанных на рис. 2.5, используются также параллельная ОС по току и последовательная ОС по напряжению.

В зависимости от фазы сигнала ОС относительно входного сигнала различают положительную (ПОС) и отрицательную (ООС) обратные связи.

Коэффициент передачи усилителя с ООС меньше, чем без нее, но его величина определяется параметрами элементов, которые могут быть достаточно стабильными; можно обеспечить малую чувствительность к изменению коэффициента передачи. Это свойство систем с отрицательной обратной связью широко используется при создании усилителей.

2.3. Однокаскадный усилитель напряжения с резистивно-емкостной связью

Усилители подразделяются на предваритель­ные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предва­рительные усилители состоят из одного или нескольких каска­дов усиления.

В предварительных усилителях широкое применение получили схемы с резистивно-емкостной связью, причем наиболее распространена схема каскада с общим эмиттером (ОЭ), так как она обеспечивает наибольшее усиление сигнала по мощности. Принципиальная схема усилителя, выполненного по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 2.6 [1].

В схеме с ОЭ эмиттер транзистора VT является общим электродом для входной U_вх и выходной U_вых цепей (рис. 2.6), а резистор R_к, с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора.

Нагрузка R_н в этой схеме имеет одну общую точку с источником входного сигнала U_вх и источником питания Е_п, так что в роли нагрузки может выступать вход следующего каскада в многокаскадном усилителе.

Полярность источника питания Е_п зависит от типа транзистора. Для транзистора типа р-n-р полярность транзистора должна быть проти­воположной указанной на рис. 2.6.

Для получения линейной амплитудной характеристики и разнополярных сигналов на выходе (например, синусоидального напряжения или тока) необходимо обеспечить определенный постоянный ток, протекающий через транзистор при нулевом входном сигнале. Тогда под воздействием входного сигнала ток коллектора может как увеличиваться, так и уменьшаться, т.е. приращения тока являются разнополярными.

Необходимое для вывода транзистора в линейную область характеристик значение тока коллектора обеспечивается созданием соответствующего тока базы. Режим работы транзистора при нулевом входном сигнале называют режимом покоя, и определяется он значениями тока коллектора I_к0, напряжения коллектор-эмиттер U_кэ0, тока базы I_б0 и напряжения база-эмиттер U_бэ0.

На рис. 2.7 изображены временные диаграммы напряжений и токов в усилителе. Диаграммы (рис. 2.7, а) характеризуют режим покоя транзистора. Временные диа­граммы (рис. 2.7, б) пока­зывают изменение во времени входного u_вх и выходного u_вых напряжений, тока базы i_б и коллекторного напряжения u_к.

Резисторы R₁ и R₂ представляют собой делитель напряжения и задают статический режим работы (режим покоя). Благодаря этим резисторам можно получить оптимальные значения тока базы I_б0 и на­пряжения база-эмиттер U_бэ0.

Конденсаторы C_p1 и С_р2 отделяют соответственно источник входного сигнала U_вх и нагрузку усилителя от постоянной составляющей тока источника пита­ния Е_п усилителя. Разделительные емкости не могут использоваться в усилителе постоянного тока, так как для медленно изменяющихся сигналов их сопротивления оказываются чрезмерно большими.

С помощью резистора R_э реализуются последовательная отрицательная обратная связь по току. Механизм действия ООС сводится к следующему. Изменение тока коллектора вызывает соответствующее изменение падения напряжения на эмиттерном резисторе R_э. Соответственно изменяется и потенциал эмиттера. Например, увеличение тока коллектора вызывает увеличение потенциала эмиттера относительно общей точки. При этом напряжение база-эмиттер уменьшается, уменьшая базовый ток и тем самым ток коллектора. Обратная связь стремится воспрепятствовать изменению тока коллектора, стабилизируя параметры режима покоя.

ООС одновременно уменьшает и коэффициент передачи входного сигнала. Ослабить этот нежелательный эффект позволяет конденсатор С_э. С ростом частоты сигнала емкостное сопротивление уменьшаются, уменьшая глубину обратной связи.