Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лабораторные электричество

.pdf
Скачиваний:
50
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
2.11 Mб
Скачать

С

R

u

ВХ

R

uВХ

 

 

 

а)

Рис. 3.6. Упрощенные эквивалентные схемы усилителя: а) в области низких частот, б) в области верхних частот

С

б)

Согласно закону Кирхгофа для RC -цепи можем записать:

 

uВХ (t ) uR uC .

(3.6)

Используя связь между током и напряжением на элементах цепи, для эквивалентной схемы в области низких частот получим:

 

uВХ (t ) Ri

 

1

 

idt .

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После дифференцирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

duВХ

R

di

 

 

 

 

1

 

i

 

 

 

dt

dt

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и преобразования получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

duВХ

 

duR

 

1

 

u .

(3.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

dt

 

 

RC

R

 

Если постоянная времени RC достаточно большая, то (1 RC

1 ) и для

сигнала, не содержащего составляющих спектра, с частотами ниже

граничной частоты Н 1

вторым слагаемым в (3.7) можно пренебречь.

Тогда сигнал будет передаваться без линейных искажений: uВЫХ uR

uВХ .

При очень малых постоянных времени можно пренебречь первым

слагаемым, и напряжение на выходе примет вид:

 

u

RC

duВХ

 

duВХ

,

(3.8)

 

 

R

 

dt

 

dt

 

 

 

 

 

т. е. осуществляется дифференцирование входного сигнала.

 

При выполнении условия du dt

u сигналы называют “быстрыми”,

а если dudt u – сигналы называют “медленными”. Для эквивалентной

схемы в области верхних частот уравнение (3.6) запишем, используя в качестве неизвестной переменной напряжение на емкости в виде uВХ (t ) Ri uC , или

31

 

 

u

(t ) RC

duC

 

u .

(3.9)

 

 

 

 

 

ВХ

 

dt

C

 

 

 

 

 

 

 

При малых постоянных времени RC

1 для сигнала, не содержащего

составляющих

спектра,

с

частотами

выше граничной

частоты В

(“медленные”

сигналы)

можно пренебречь первым слагаемым в (3.9) и

uВЫХ uС uВХ , т.е. сигнал будет передаваться без линейных искажений. Для

сигналов, содержащих составляющие спектра, с частотами выше граничной частоты В (“быстрые” сигналы) RC -цепь осуществляет интегрирование

uВЫХ (t ) uC (t )

1

uВХ (t )dt .

(3.10)

RC

 

 

 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из базового устройства, которое представляет собой собранный на шасси усилительный каскад с резистивноемкостной связью. На верхней панели базового устройства изображена принципиальная схема усилителя, а также расположены переключатели, которые позволяют выбирать различные значения основных элементов схемы и включать схемы коррекции. Питание установки осуществляется от лабораторного источника постоянного напряжения. В состав лабораторной установки входят также измерительные генераторы и электронный осциллограф.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1.Начертить варианты схем усилителей на резисторах с общим инжекторным электродом на различных электронных приборах. Описать назначение элементов схем.

2.На примере резистивного усилителя на биполярном транзисторе изучить и воспроизвести в тетради анализ линейного усиления.

3.Изучить вид АЧХ апериодического усилителя, влияние на АЧХ элементов

схемы. По заданным преподавателем значениям CР ,CШ , RК , RН рассчитать нижнюю и верхнюю граничные частоты Н , В , постоянные времени Н и В , определить полосу пропускания усилительного каскада.

4.Подготовить ответы на контрольные вопросы.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1.На частоте колебаний 1000 Гц экспериментально снять зависимость амплитуды выходного напряжения UВЫХ от амплитуды входного напряжения UВХ при CP MAX .

32

2. Экспериментально

снять

амплитудно-частотные

характеристики

K( ) UВЫХ UВХ усилительного каскада для значений:

CP1 , CШ1 ; CP 2 ,

CШ1 ; CP1 , CШ 2 ; L , CP1 , CШ 2 .

 

 

3.Построить графики снятых АЧХ и по ним определить нижнюю и верхнюю граничные частоты fН , fВ и постоянные времени Н и В .

4.Переключить генератор в режим генерирования последовательности

прямоугольных импульсов. Для значений CP1 , CШ 2 исследовать влияние частоты следования импульсов FС на форму и параметры сигнала на выходе усилителя. Исследовать и зарисовать осциллограммы для случаев

FС fН , fН FС fВ , FС fВ .

Примечание: При построении графиков АЧХ целесообразно использовать по оси абсцисс логарифмический масштаб частоты lgf , поэтому в процессе

измерений в пределах каждой декады частот следует брать значения частоты, кратные 1, 2, 5.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Материалы подготовки к выполнению работы.

2.Результаты экспериментальных исследований в виде графиков.

3.Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Объясните назначение элементов и принцип действия апериодических усилителей на различных ЭП.

2.Дайте определение АЧХ усилительного каскада, укажите ее основные частотные области. Как по АЧХ определяется полоса пропускания?

3.Как влияют величины элементов CP , CШ и RK на АЧХ?

4.Почему в апериодических усилителях с ростом частоты наблюдается снижение коэффициента усиления?

5.Как зависят коэффициент усиления и полоса пропускания от величины

RK и RН ?

6.Объясните влияние частоты следования прямоугольных импульсов (меандра) на форму импульсов на выходе усилителя.

7.Объясните действие цепей коррекции.

ЛИТЕРАТУРА: [6], [12], [13], [18].

33

Лабораторная работа № 4

УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ – экспериментальное исследование влияния отрицательных обратных связей (ООС) на работу апериодического усилителя и его характеристики, ознакомление с методами схемотехнической реализации обратных связей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Обратной связью (ОС) в радиоэлектронике называют воздействие выходного сигнала устройства на его вход. Обратные связи находят широкое применение в различных устройствах автоматических систем управления энергетической и информационной электроники. В усилителях ОС используют для направленного изменения их характеристик.

В общем случае усилитель с ОС представляется структурной схемой (рис. 4.1), которая содержит цепь прямой передачи – усилитель с

комплексным коэффициентом передачи K SВЫХ

 

и цепь обратной связи

SВХ

с комплексным коэффициентом обратной

передачи B SОС SВЫХ .

Коэффициент обратной связи показывает, какая часть сигнала (энергии, напряжения, тока) с выхода усилителя подается на вход. В усилителях обычно

используют пассивную цепь ОС, т.е. B 1. Цепь обратной связи и цепь

прямой передачи образуют замкнутый контур, который называют петлей обратной связи.

Входной сигнал цепи прямой передачи SВХ' представляет собой алгебраическую сумму входного сигнала усилителя с ОС SВХ и сигнала ОС

SОС :

 

S

 

S

S

S

BS

,

(4.1)

 

ВХ

ВХ

ОС

ВХ

ВЫХ

 

SВХ

+

S'ВХ

 

 

SВЫХ

 

 

 

 

 

K

 

 

 

 

SОС

 

 

 

 

 

 

 

 

B

Рис. 4.1 Структурная схема усилителя с обратной связью

поэтому сигнал на выходе усилителя будет равен:

34

 

 

 

 

 

 

S

KS'

 

K(S

BS

) .

 

 

(4.2)

 

 

 

 

 

 

ВЫХ

 

ВХ

 

 

 

 

ВХ

 

 

 

 

 

ВЫХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решив уравнение (4.2) относительно SВЫХ , получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SВЫХ

 

 

K

 

 

 

SВХ .

 

 

 

 

(4.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 KB

 

 

 

 

Из (4.3) следует, что комплексный коэффициент передачи усилителя с

ОС KОС SВЫХ

SВХ

 

связан с

комплексными

 

 

коэффициентами

передачи

цепей прямой и обратной передачи соотношением:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KОС

 

 

 

K

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 KB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Произведение

KB называется

 

 

петлевым

усилением, а

величина

(1 KB)

– глубиной ОС. Петлевое усиление определяет характер обратной

связи и коэффициент усиления KОС

усилителя с ОС. В общем случае, когда

петлевое

усиление

 

Re KB 0,

то

 

 

KОС

 

 

 

K

 

 

системе

действует

 

 

 

 

 

 

положительная обратная связь (ПОС)), а при

Re KB 0

 

KОС

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

системе действует отрицательная обратная связь (ООС)). Так как K ke j K

и

B e j B , где

K

и

 

B

– фазовые сдвиги сигнала, вносимые цепями прямой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

передачи и обратной связи, комплексный коэффициент передачи KОС

усилителя с ОС можно представить в виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KОС

 

 

 

 

 

ke j K

 

 

 

 

 

.

 

 

 

(4.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k e j ( K )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В частности, при K B 2 n , n 0, 1, 2,…, петлевое усиление KB k

величина вещественная и положительная, при этом сигнал обратной связи поступает на вход цепи прямой передачи (усилителя) в фазе со входным сигналом (действует ПОС). В случае, когда 0 k 1, имеет место

регенеративное усиление, при этом KОС K , а при выполнении условия

KB 1 усилитель с ПОС становится неустойчивым и самовозбуждается. ПриK B (2n 1) петлевое усиление KB k величина вещественная и

отрицательная, при этом сигнал обратной связи поступает на вход цепи прямой передачи (усилителя) в противофазе с входным сигналом (действует ООС). В этом случае, как следует из (4.5), коэффициент усиления усилителя с ООС равен

kОС

 

 

 

k

,

(4.6)

 

 

 

1

k

 

 

 

 

35

т.е. коэффициент усиления усилителя уменьшается в (1 k ) раз. Несмотря на уменьшение коэффициента усиления, ООС широко применяется в усилителях, так как она улучшает ряд других параметров. В частности, стабилизирует работу усилителя, уменьшая зависимость от изменений параметров транзисторов, колебаний напряжения питания и величины нагрузки, существенно уменьшает нелинейные и частотные искажения, вносимые усилителем, ослабляет уровень внутренних помех, расширяет полосу пропускания. При глубокой ООС (k 1) коэффициент усиления равен kОС 1 , т.е. определяется только параметрами цепи обратной связи

и не зависит от параметров исходного усилителя без ООС.

Различают ОС внутренние и внешние. Внутренние ОС являются неотъемлемой частью усилителей и обусловлены физическими процессами в электронных приборах, а также емкостными, индуктивными и гальваническими связями между выходными и входными цепями усилителя. ОС, обусловленные такими связями, называют паразитными обратными связями. Обычно паразитные связи в усилителе стараются ослабить настолько, чтобы они практически не сказывались на его свойствах. Так как ОС сильно влияет на характеристики усилителя, ее часто вводят в усилитель преднамеренно для изменения его свойств в нужном направлении. В этом случае для передачи части сигнала c выхода на вход используют внешние цепи обратной связи, и такие ОС называют внешними.

В зависимости от способа получения сигнала ОС с выхода усилителя различают обратную связь по напряжению (рис. 4.2а) и по току (рис. 4.2б). Чтобы выяснить в конкретной схеме, каким способом получен сигнал ОС, можно воспользоваться следующим правилом: если мысленно закоротить нагрузку, то ОС по току сохраняется, а по напряжению – исчезает. По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя различают последовательную (рис. 4.2в) и параллельную (рис. 4.2г) обратные связи. При последовательной ОС на входе усилителя (цепи прямой передачи) выполняется алгебраическое суммирование напряжений. При параллельной ОС – выполняется алгебраическое суммирование токов. Комбинируя способы получения и подачи сигнала ОС, получают четыре основных типа ОС: последовательную по напряжению, последовательную по току, параллельную по напряжению, параллельную по току.

Способ получения сигнала ОС влияет на выходное сопротивление усилителя, а способ подачи сигнала ОС на вход влияет на входное сопротивление. ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление, а ОС по току – увеличивает его. В случае последовательной ООС увеличивается входное сопротивление, а в случае параллельной ООС входное сопротивление уменьшается.

36

K

RН K

 

 

 

 

 

 

IВХ

I'ВХ

 

RОС

RН

UВХ

U'ВХ

K

IОС

K

 

 

 

UОС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) б) в) г) Рис. 4.2. Типы обратных связей (структурные схемы):

по способу получения сигнала на выходе: а) обратная связь по напряжению, б) обратная связь по току, по способу подачи сигнала на вход:

в) последовательная, г) параллельная

Типы ОС проанализируем на примере однокаскадных усилителей, схемы которых приведены на рис. 4.3а и рис. 4.3б. В обеих схемах цепь ОС образует резистор RЭ , включенный в цепь эмиттера транзистора. Входное

напряжение действует на базу относительно корпуса UБ UВХ . Изменение UВХ вызывает изменение напряжения на эмиттере UЭ RЭIЭ UОС . Так как для транзистора управляющим является напряжение UБЭ , то в обеих схемах имеем

UБЭ UБ UЭ UВХ UОС ,

(4.7)

т.е. в рассматриваемых схемах действует последовательная ООС. Эмиттерный повторитель (рис. 4.3а) является усилителем с последовательной ООС по напряжению (т.к. при RН 0 UОС UВЫХ 0 ), причем 1. Усилитель на

рис. 4.3а охвачен

последовательной

ООС по

току,

поскольку при

RН 0 UОС UЭ

0 , причем

UОС

UВЫХ RЭIЭ

( RКIК ) RЭ

RК (т.к.

IК IБ , полагаем

IЭ IК ). В

рассматриваемых

схемах

ОС

частотно

независима, поскольку напряжение UОС

не зависит от частоты. В усилителях

применяют также частотно избирательную ОС. Например, шунтированием резистора RЭ в схеме, изображенной на рис. 4.3б конденсатором CЭ большой

емкости (1 НCЭ RЭ , где Н – нижняя частота спектра усиливаемого

сигнала), создают ООС по постоянной составляющей тока эмиттера для стабилизации режима покоя усилителя. Кроме внутрикаскадной ООС в многокаскадных усилителях применяют межкаскадную ООС (см. рис. 4.4). В высококачественных УЗЧ межкаскадную ООС применяют для подавления нелинейных искажений и обеспечения устойчивости.

Обязательным условием нормального функционирования усилителя является его устойчивость. В физическом понимании свойство устойчивости означает, что конечные изменения входного сигнала не вызывают

37

неограниченного изменения выходного сигнала, а после прекращения действия возмущающего воздействия усилитель возвращается к исходному, невозмущенному состоянию.

 

 

 

+EП

 

 

 

 

 

+EП

 

 

 

 

 

 

 

RБ1

RK

СP

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

Б1

VT

 

 

 

 

СP

 

 

 

 

СP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СP

 

 

 

 

VT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UВЫХ

UВХ

 

 

 

U

 

UВХ

RБ2

RЭ

RН

R

R

R

 

 

 

 

 

ВЫХ

 

 

 

 

 

 

 

Б2

Э

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

б)

 

 

Рис. 4.3. Схемы однокаскадных усилителей с ООС:

 

 

 

а) последовательная ООС по напряжению,

 

 

 

 

б) последовательная ООС по току

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EП

 

 

 

 

RБ1

RK1

СP2

R'Б1

RK2

СP3

 

 

 

 

СP1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

С

VT2

SA1

 

 

 

 

 

 

VT1

 

 

 

Вых

 

 

Вх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RБ2

 

 

 

 

 

SA2

 

 

 

 

 

R

R'

Б2

R

С

 

 

 

 

 

 

Э1

 

Э2

Э

 

 

 

Рис. 4.4. Двухкаскадный апериодический усилитель

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка представляет собой двухкаскадный апериодический усилитель, собранный на отдельном шасси по схеме рис. 4.4.

Переключатель SA1 позволяет включать (кнопка нажата) или отключать (кнопка отжата) цепь межкаскадной последовательной ООС по напряжению. В эту цепь входят переключатель SA1, конденсатор C , резисторы R и RЭ1. Переключатель SA2 отключает (кнопка нажата) или

включает (кнопка отжата) конденсатор CЭ , шунтирующий резистор RЭ2 в

цепи эмиттера транзистора VT2. При отключенном блокировочном конденсаторе CЭ (кнопка нажата) второй каскад охвачен частотно-

независимой последовательной ООС по току.

Питание усилителя осуществляется от внешнего источника постоянного напряжения 10 В. При выполнении лабораторной работы следует использовать генератор гармонических сигналов и осциллограф.

38

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1.По литературным источникам уяснить суть ОС в электронных цепях, получить выражение для коэффициента усиления KОС усилителя с ОС.

2.Рассчитать и сравнить абсолютные и относительные изменения коэффициентов усиления усилителя без ООС, коэффициент усиления

которого по некоторым причинам изменяется так: k1 10, 9,7, 5,2, и усилителя с ООС при 0,09, коэффициент усиления которого без ОС изменяется как k2 100,90,70,50,20.

3.Изучить типы ООС, которые применяются в усилителях.

4.Перерисовать схему усилителя лабораторной установки (рис. 4.4),

определить цепи ООС, выделив их более жирными линиями, уяснить тип ООС, получить выражения для коэффициентов обратной связи .

5.Подготовить ответы на контрольные вопросы.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1.Исследовать амплитудные характеристики усилителя без ООС и с ООС.

На вход усилителя подать от генератора сигнал частотой 1 КГц. Величину входного и выходного сигналов измерять с помощью осциллографа, подключая его поочередно к входу и к выходу. Входное напряжение изменять от 5 мВ до значений, при которых наблюдаются нелинейные искажения выходного сигнала.

1.1.Снять амплитудную характеристику усилителя без ООС (кнопки переключателей SA1 и SA2 отжаты).

1.2.Снять амплитудные характеристики усилителя с ООС по напряжению

(кнопка переключателя SA1 – нажата, а кнопка SA2 – отжата), по току (кнопка SA1 – отжата, а кнопка SA2 – нажата), смешанная (кнопки переключателей SA1 и SA2 нажаты).

1.3.Построить графики амплитудных характеристик. По измеренным амплитудным характеристикам определить средние значения входных напряжений, при которых сохраняется режим линейного усиления усилителя без ООС и с ООС.

2.Исследовать амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) усилителя без ООС и с ООС.

Начинать измерение АЧХ следует с частоты 1 кГц, изменяя частоту в низкочастотную и высокочастотную часть диапазона до уменьшения выходного напряжения в 2–3 раза, при этом в пределах каждой декады частот следует брать значения частоты, кратные 1, 2, 5.

2.1.Измерить АЧХ усилителя без ООС (кнопки переключателей SA1 и SA2 отжаты).

2.2.Измерить АЧХ усилителя с ООС по напряжению (кнопка переключателя SA1 – нажата, а кнопка SA2 – отжата), по току (кнопка SA1 – отжата, а

39

кнопка SA2 – нажата), смешанная (кнопки переключателей SA1 и SA2 нажаты).

2.3. Построить графики АЧХ. При построении графиков АЧХ следует использовать по оси абсцисс логарифмический масштаб частоты lgf .

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Результаты подготовки к выполнению лабораторной работы.

2.Графики амплитудных характеристик с определением пределов линейного усиления.

3.Графики АЧХ с определением частотных полос пропускания усилителя.

4.Выводы по проведенным исследованиям.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Приведите классификацию типов обратных связей в усилителях.

2.Определите тип ОС по принципиальной схеме исследуемого усилителя. Докажите, что они отрицательные.

3.Как ООС влияет на входное и выходное сопротивление усилителя?

4.Как ООС влияет на частотные характеристики усилителя?

5.Для каких целей применяют ООС?

ЛИТЕРАТУРА: [1] – [9], [14], [15], [18].

Лабораторная работа №5

ПОВТОРИТЕЛИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ – ознакомление с принципами схемотехнического построения повторителей на биполярном и полевом транзисторах; изучение их работы; исследование режима покоя и режима линейного усиления; определение границ области линейного усиления; определение входного и выходного сопротивлений.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Усиление электрических сигналов – радиотехнический процесс увеличения мощности выходного сигнала за счет преобразования энергии источника постоянного напряжения путем изменения сопротивления электронного прибора (ЭП) по закону, задаваемому входным сигналом.

В радиоэлектронике широко используется линейное усиление, когда выходной и входной сигналы связаны близкой к линейной зависимостью SВЫХ kSВХ , где k – коэффициент усиления (КУ). Различают КУ по

40