155

Лабораторная работа № 23 изучение усилителя, определение его частотной и амплитудной характеристик

Цель работы: ознакомиться с устройством и принципам работы усилителя напряжения, построить частотную и амплитудную характеристики, изучить причины возникновения линейных и нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

Приборы и принадлежности: звуковой генератор Г3-33, усилитель низкой частоты УНЧ-3, ламповый вольтметр, соединительные провода.

Теория работы

Биоэлектрические потенциалы различных органов и тканей человека являются существенными диагностическими показателями многих заболеваний. Прямое, непосредственное измерение биоэлектрического сигнала является трудновыполняемой задачей, так как они весьма малы (милливольты и микровольты) и регистрирующие устройства при таких значениях потенциалов не срабатывают. Биопотенциалы, отводимые с поверхности тела электродами, должны быть предварительно усилены для их непосредственной регистрации. Для этой цели используются приборы, которые называются усилителями.

Усилитель – это электронное устройство, предназначенное для увеличения энергетических параметров электрического сигнала за счет энергии вспомогательного источника тока. Они широко используются для усиления слабых сигналов в технике, медицине, научной практике как основа любой радиоаппаратуры и измерительной техники высокой точности.

Усилители могут создаваться на основе различных элементов (транзисторы, электронные лампы), однако общие вопросы работы усилителей могут быть представлены достаточно едино.

Они имеют “вход“, на который подается усиливаемый сигнал и “выход”, с которого снимается усиленный сигнал.

Основным требованием, предъявляемым к усилителю, является возможность усиления сигнала с наименьшими искажениями.

Основной характеристикой усилителя является коэффициент усиления, который равен отношению напряжения, силы тока или мощности на выходе к напряжению, силе тока или мощности на входе:

(1)

В зависимости от назначения усилители различают по напряжению, силе тока или мощности. Если усиливаемый сигнал синусоидальной формы, то в выражениях (1) используют амплитуды входных и выходных сигналов.

Для того чтобы форма синусоидального (гармонического) сигнала при усилении не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пределах изменения входного сигнала.

Если усиливаемый сигнал не синусоидальный, то он может состоять из отдельных гармонических составляющих с различными частотами. Учитывая, что индуктивные и емкостные сопротивления элементов усилителя зависят от частоты, следует отметить, что коэффициент усиления для разных гармоник сложного сигнала будет иметь различные значения, т.е. К = f(ν). Эта зависимость называется частотной характеристикой усилителя (рис.1).

Непостоянство коэффициента усиления для различных частот вызывает частотные или линейные искажения сигнала. На графике легко выделить почти прямолинейный участокавограниченный интервалом частот от ν₁до ν₂, на котором K примерно постоянен. В радиотехнике принято считать, что уменьшение его до 0,7K_maxили K(ν₀) практически не искажает сигнала. Диапазон частот Δν = ν₂– ν₁называется полосой пропускания усилителя. Частотная характеристика имеет большое значение при выборе усилителя для записи биопотенциалов с различным интервалом частот в их спектре. Поэтому усилитель, предназначенный для записи одних потенциалов, не может быть использован для записи других.

Кроме частотных искажений при усилении сигнала могут возникать нелинейные искажения. Они проявляются в том, что на выходе усилителя появляются новые гармоники (частоты), которых не было во входном сигнале. К нелинейным искажениям относятся амплитудные искажения, возникающие при больших амплитудах усиливаемого сигнала. При усилении синусоидального гармонического сигнала, чтобы форма его не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пределах изменения входного сигнала. Для оценки предельной амплитуды усиливаемого сигнала, при которой линейные искажения практически отсутствуют, строят амплитудную характеристику (АХ) усилителя. Она представляет график (рис.2) зависимости амплитуды напряжения на выходе к амплитуде напряжения на входе, т.е. U₀вых =f(U₀вх). Линейная зависимостьU₀вых =KU₀вх сохраняется в ограниченной области измерений (АВ). При выходе за пределы этой области линейная зависимость нарушается, и выходной сигнал уже не будет гармоническим, т.е. возникают линейные усиления.

Для негармонического сигнала амплитудная характеристика строится для частоты ν₀(см. рис.1), при которой коэффициент усиления максимален, поэтому в эксперименте построению АХ всегда представляют построение 4Х, по который определяют ν₀.

Главным элементом усилителя является электронные лампы или транзисторы, которые характеризуются определенными параметрами, зная которые можно рассчитать коэффициент усиления однокаскадных и многокаскадных усилителей, определить их характеристики и рассмотреть принципы работы.

Рассмотрим принципы работы усилителя на транзисторах, представляющих собой сочетание полупроводников с дырочной (p) и электронной (n) проводимостью. В полупроводнике при создании в нем двух областей одного механизма электропроводимости и одной области другого механизма возникают дваp-nперехода. Транзисторы бываютp-n-pиn-p-nтипа. Центральную часть транзистора называют базой (Б), крайние соответственно эмиттером (Э) и коллектором (К). На рис.3 показан транзисторp-n-pтипа и его условное обозначение на электрической схеме. В транзисторе различают эмиттерный и коллекторный переходы. К базе, коллектору и эмиттеру с помощью металлических электродов можно подключить электрическое напряжение. Существуют три схемы включения транзистора в цепь: с общей базой, общим коллектором, общим эмиттером. Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером, обеспечивающая значительное усиление по току, напряжению и мощности. В приведенной схеме (рис.4) источник Е_БЭ подключен в прямом направлении (э.д.с. источники невелика), источник Е_КЭ– в обратном направлении и его э.д.с. значительно превышает Е_БЭ.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т.е. участка база-эмиттер существенно влияет на ток коллектора.

При увеличении прямого входного напряженияU_БЭбудет возрастатьIэ. Дырки, попадая (инжектируя) в базу в значительном количестве, продифундируют через неё (толщина базы достаточно мала) и окажутся в коллекторе, увеличивая его ток. В базе небольшая часть дырок может рекомбенировать с электронами и не достигать коллектора.

Если в цепь база–эмиттер включить переменную э.д.с., то возникающий переменный ток I_Эвызовет изменение тока коллектора. Усиливающие свойства транзистора в приведенной схеме характеризуется статическим коэффициентом усиления по току β. Он равен отношению приращения тока коллектора ΔI_кк вызываемому его приращению тока базы ΔI_бпри низменном напряжении коллектор - эмиттер:(U_КЭ=const).

В схеме с общим эмиттером ΔI_бсоответствует изменению входного тока, а ΔI_к - изменению выходного тока.

На рис.5 приведена упрощенная схема усилительного каскада с общим эмиттером. Как видно из рисунка выходное усиленное напряжениеU_вых = Е -I_кR_к, где Е – э.д.с. источника питания,I_к– сила тока коллектора,R_к – сопротивление коллектора.

Переменный входной сигнал, подключенный к эмиттерному переходу, влияет на силу тока коллектора и на падение напряжения на резисторе R_Кцепи коллектора.

Таким образом, выходное напряжение изменяется в соответствии с изменением входного напряжения, т.е. ΔUвых =f(ΔUвх). При определенных условиях эта зависимость может быть прямо пропорциональной:, где К – коэффициент усиления по напряжению. Элементы приведенной схемы однокаскадного усилителя имеют определенное назначение:R_б–cпомощью этого сопротивления на базу транзистора подается небольшое отрицательное начальное напряжение. Оно создает в цепи базы ток, который открывает транзистор и устанавливает исходный ток коллектора, называемый током покоя. В отсутствие смещения возникает искажение входного сигнала, так как в этом случае эмиттерный переход открывается только при отрицательных полупериодах входного сигнала, а при положительных он будет заперт.

С_б– не оказывает заметного сопротивления переменной составляющей входного сигнала и в то же время препятствует замыканию плюсового полюса источникаEна базу через источник биопотенциалов.

R_э– через это сопротивление осуществляется отрицательная обратная связь ООС. Обратной они называются потому, что часть энергии с выхода транзистора падается на его вход. По этому сопротивлению проходит общий ток транзистора, равный сумме токовI_киI_би создает на нем падение напряженияU_ос = (I_к+I_б)R_э. Оно имеет знак, противоположныйU_вхи поэтому уменьшается его. Отсюда название – отрицательная обратная связь. ООС позволяет снизить линейные и нелинейные искажения, но при этом уменьшает коэффициент усиления. Она увеличивает входное сопротивление усилителя (R_вх), что является необходимым условием при снятии биопотенциалов, в противном случае оно будет шунтировать источник биопотенциалов и снижать их величину. В электрофизиологии считают, что входное сопротивление усилителя должно быть в 10-20 раз больше сопротивления участка, с которого снимается биопотенциал.

С_р – разделительный конденсатор. ТокI_ксоздает падение напряжения наR_к, которое через С_рподается на выход однокаскадного усилителя. Причем С_рпропускает только переменную составляющую сигнала.

Коэффициент усиления одного усилительного каскада является недостаточным для получения на выходе напряжения, при котором могли бы работать регистрирующие устройства. Поэтому чаще всего используют несколько каскадов усиления. В этом случае усилитель называется многокаскадным и его общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада:

К = К₁∙К₂…К_n.