Новая папка (2) / Описание лабораторных работ / Лабэу

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Цель работы: изучение принципов построения транзисторных усилителей и экспериментальное их исследование.

Общие сведения.

Электронные усилители (ЭУ) - это устройства, служащие для повышения мощности электрического сигнала. Эффект повышения мощности в них достигается использованием активного элемента (в данном случае – биполярного транзистора), который управляет энергией внешнего источника (обычно источник э.д.с Е_К) при передаче ее во внешнюю цепь или нагрузку. Представим ЭУ активным 4-х-полюсником (рис.1), к входу которого подключён источник усиливаемого сигнала с э.д.с. e_ВХ и внутренним сопротивлением R_Г, а к выходу - сопротивление нагрузки R_Н. Основными параметрами ЭУ считаются:

1. Коэффициент усиления, который подразделяется на коэффициент усиления по напряжению К_U=U_ВЫХm/e_ВХm, коэффициент усиления по току K_I=I_ВЫХm/I_Вхm и коэффициeнт усиления по мощности: К_Р=Р_ВЫХ/Р_ВХ.

2) Входное и выходное сопротивления ЭУ, которые равны: R_BX=U_BX/I_BX и R_ВЫХ=U_ВЫХ/I_ВЫХ, соответственно.

Рис.1.

3) Частотный диапазон Df = f_B - f_H (где f_B и f_H – верхняя и нижняя граничные частоты, соответственно), который находится экспериментально.

4) Динамический диапазон: D=20lg (U_ВХ.max/U_ВХ.min ).

5) Коэффициент полезного действия ( К.П.Д.): h=Р_ВЫХ/Р_ПОТ, где Р_ПОТ - мощность, потребляемая ЭУ от источника питания Е_К, а Р_ВЫХ=U_ВЫХmI_ВЫХm/2 – выходная (или полезная) мощность ЭУ.

Эти параметры должны быть определены в ходе экспериментальных исследований макетов ЭУ. Для определения Df и D требуется получить амплитудно-частотную и амплитудную характеристики (АЧХ и АХ, соответственно) и применить известную методику для нахождения f_B и f_H. Под АЧХ понимают зависимость К_U от частоты f усиливаемого сигнала, а под АХ - зависимость U_ВЫХ.m от U_ВХ.m. Их примерный вид приведен на рис.2,а и б, соответственно. Значения f_B и f_H находятся по уровню , где К₀ – коэффициент усиления ЭУ на средней для него частоте.

Рис.2.

Часто для достижения требуемого значения К_U, К_I или K_P используют многокаскадные ЭУ, в которых U_ВЫХ предыдущего каскада является U_ВХ для следующего каскада и общий коэффициент усиления многокаскадного ЭУ равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов, т.е. K=K₁K₂…K_N. В многокаскадных ЭУ находят применение обратные связи (ОС), под которыми понимают такие электрические связи, которые возвращают часть выходного сигнала и подают его на вход. С их помощью удается получить более равномерную АЧХ и улучшить свойства ЭУ, например, повысить его R_ВХ и снизить R_ВЫХ, расширить Df . Это возможно получить только при использовании отрицательной ОС, т.е. ООС, которая при своей работе уменьшает коэффициент усиления.

Рис.3.

Свойства ЭУ и значения их параметров зависят от схемы включения транзистора. В случае использования биполярного транзистора возможно получение 3-х типов ЭУ: с общим эмиттером (или с ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). В случае применения полевого транзистора возможно создание только 2-х типов ЭУ: с общим истоком (или с ОИ) и с общим стоком (ОС). На рис.3 и 4 приведены схемы однокаскадных ЭУ на биполярных и полевых транзисторах, соответственно.

В ходе данной лабораторной работы сначала требуется определить свойства всех однокаскадных ЭУ и провести их сравнение по усилительным способностям, входному и выходному сопротивлениям и частотному диапазону, для чего требуется кроме определения значений наиболее важных параметров построить графики их АЧХ.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с теоретическими положениями работы.

2. В среде EWB собрать схему ЭУ на БТ с ОЭ (рис.3,а), включив во все электроды транзисторов амперметры, а на выходе (на нагрузку R_H) – вольтметр (приведена на рис.4).

Рис.4.

Таблица 1.

№№ вари- антов	Значения элементов схемы
	R1, кОм	R2, кОм	RK, кОм	RЭ, кОм	R H, кОм	СЭ, мкФ	CР1, мкФ	СР2, мкФ	UВХ mB	f кГц	Тип VT
1	5,0	1,5	0,5	0,1	0,5	100	0,5	0,1	10	1,0	2N2712
2	5,5	1,5	0,55	0,13	0,55	120	0,6	0,2	11	1,5	2N2714
3	6,0	1,8	0,6	0,15	0,6	140	0,7	0,3	12	2,0	2N2923
4	6,5	2,2	0,65	0,2	0,65	160	0,8	0,4	13	2,5	2N2924
5	7,0	2,5	0,7	0,23	0,7	180	0,9	0,5	14	3,0 3,5	2N2925
6	7,5	2,7	0,75	0,25	0,75	200	1,0	0,6	15	3,5	2N3391
7	8,0	3,0	0,8	0,27	0,8	220	1,1	0,7	16	4,0	2N3391A
8	8,5	3,3	0,85	0,29	0,85	240	1,2	0,8	17	4,5	2N3392
9	9,0	3,5	0,9	0,3	0,9	260	1,3	0,9	18	5,0	2N3393
10	9,5	3,5	0,95	0,31	0,95	280	1,4	1,0	19	5,5	2N3394

3. Перевести все эти приборы в режим переменного тока.

4. Установить тип транзистора и значения всех элементов схемы, а также значение и частоту входного сигнала в соответствии со своим вариантом (таблица 1).

5. Подключить к входу и выходу устройства электронный осциллограф.

6. Включить программу, настроить осциллограф по значениям сигналов и их частоте и добиться нормальной работы устройства (появления усилительных свойств).

7. Провести измерение всех токов транзистора и напряжения на нагрузке на основной частоте (указана в табл.1).

8. Рассчитать основные параметры усилителя, т.е. входное и выходное сопротивления, по формулам:

= U_вх/I_Б и = U_вых/I_К,

а также коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности, т.е.:

=U_вых/U_вх = bI_б(R_к||R_н)/ I_б = b(R_к||R_н)/ >>1,

=I_н/I_вх = bI_б R_к/I_б(R_к+R_н) = bR_к/(R_к+R_н)>>1,

= P_вых/P_вх = K^э_UK^э_I>>1, где  = I_К/I_Б.

9. Сравнить значения расчетных коэффициентов усиления по напряжению и по току со значениями этих же параметров, найденных в ходе эксперимента по отношениям выходных и входных напряжений и токов.

10. Повторить аналогичные измерения при том же значении входного напряжения, изменяя подекадно его частоту, начиная с диапазона 20…100 Гц и закончив диапазоном 20…200 мГц. Все полученные данные занести в таблицу 2.

Таблица 2.

Частота вход. сиг-нала, Гц	Показания приборов
	UВХ mB	IБ mA	IK mA	IЭ mA	IH mA	UВЫХ B
0,01f1
0,1f1
f1
10f1
102f1
103f1
104f1

11. Произвести расчет коэффициента усиления по напряжению для каждой фиксированной частоты входного сигнала и построить график АЧХ исследуемого усилителя, применив для частоты логарифмическую шкалу.

12. Собрать аналогичную схему для ЭУ с транзистором, включенным с общей базой (по рис.3,б) и со значениями элементов схемы, также взятых из табл.1. Запустить программу и измерить те же величины на основной частоте. Рассчитать значения входного, выходного сопротивлений, а также коэффициентов усиления этого каскада по формулам:

где  = I_K/I_Э. Сравнить их с экспериментальными значениями коэффициентов усиления по напряжению и току и сделать выводы.

13. Произвести измерения, аналогичные п.8, т.е. при одном и том же значении входного напряжения, изменяя подекадно его частоту, начиная с диапазона 20…100 Гц и закончив диапазоном 20…200 мГц. Все полученные данные занести в таблицу, подобную табл. 2. Произвести расчет величин, упоминаемых в п.9 и построить АЧХ такого ЭУ.

14. Собрать схему ЭУ с транзистором, включенным с общим коллектором и проделать с ней исследования по п.п.7 и 8. Сравнить экспериментальные значения коэффициентов усиления с расчетными их значениями, определенных по формулам:

15. Произвести измерения, аналогичные п.8, т.е. при одном и том же значении входного напряжения, изменяя подекадно его частоту, начиная с диапазона 20…100 Гц и закончив диапазоном 20…200 мГц. Все полученные данные занести в таблицу, подобную табл. 2. Произвести расчет величин, упоминаемых в п.9 и построить АЧХ такого ЭУ.

16. Сделать выводы относительно усилительных и частотных свойств ЭУ для различных схем включения биполярного транзистора.

17. Для исследования 2-х каскадного ЭУ необходимо собрать схему по рис.5 (программа EWB позволяет копировать общий фрагмент схемы по рис.4, вставить его в исходную и соединить с оставшейся схемой). Чтобы определить коэффициенты усиления этой схемы требуется уменьшить входной сигнал в 20-50 раз.

Рис.5.

18. Собрать схему 2-х каскадного ЭУ с последовательной отрицательной обратной связью по току (рис.6). Изменяя значение сопротивления резистора R_OC в пределах от 10 кОм до 10 Ом установить зависимость между общим коэффициентом усиления по напряжению и коэффициентом обратной связи  = R_OC/ R_H.

Рис.6.

Содержание отчета

1. Основные теоретические положения работы.

2. Рабочие схемы, таблицы с данными исследований, результаты расчетов основных параметров и графики АЧХ.

3. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Основное назначение усилителей:

- повышение мощности входного сигнала

- повышение амплитуды входного напряжения;

- повышение амплитуды входного тока;

2. Какими параметрами характеризуются усилители:

- f, D, P_ПОТР, , K_U(K_I, K_P), K_НИ;

- К_СТАТ, К_СГЛ, U_{В. СР}, I_{Н. МАКС}, U_{КЭ МАКС};

- К_ТР, R_K, R_Э, С_Э, К_ПУЛ.

3. Амплитудная характеристика ЭУ - это:

• зависимость амплитуды U_ВЫХ от амплитуды U_ВХ;

- зависимость U_ВЫХ от частоты;

• зависимость амплитуды U_ВХ от времени.

4 АЧХ связывает частоту выходного сигнала с:

- модулем коэффициента усиления;

- его амплитудой;

- амплитудой входного напряжения.

5. Выходной сигнал цепочки подачи смещения из R₁ и R₂ на транзистор равен:

- U_СМ = Е_К R₂/(R₁+R₂);

- ;

• .

6. Конденсаторы на входе и выходе ЭУ необходимы для:

- отделения переменной составляющей от постоянной;

- сглаживания U_вх;

• лучшего усиления.

6. Причина уменьшения коэффициента усиления при уменьшении частоты усиливаемого сигнала:

• влияние конденсаторов С_рi и С_Э;

• влияние цепи подачи смещения;

• влияние транзистора.

6. Причина уменьшения коэффициента усиления при увеличении частоты усиливаемого сигнала:

• внутренние процессы в транзисторе, связанные с влиянием емкости коллекторного перехода;

• влияние цепи подачи смещения;

• влияние нагрузки.

6. Какой из транзисторных ЭУ обладает самым большим усилением по мощности:

• ЭУ на БТ с ОЭ;

• ЭУ на БТ с ОК:

• ЭУ на БТ с ОБ.

6. Отрицательная обратная связь в ЭУ способствует:

• уменьшению коэффициента усиления;

• сохранению коэффициента усиления на прежнем уровне;

• увеличению коэффициента усиления.