Fizich_elektronika_lab_prakt_2015_3

4. Электронные усилители

Усилителем называется устройство, которое позволяет при наличии сигнала на входе получить на выходе сигнал той же формы, но большей мощности. Усиление происходит за счет источника питания и активного усилительного элемента (транзистора) с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергию полезных колебаний на выходе. Входной сигнал является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку.

Любой усилитель содержит активный усилительный элемент, источник питания и пассивные цепи. По отношению к усиливаемым колебаниям усилитель может рассматриваться как электрический четырехполюсник, поскольку имеет две входные и две выходные клеммы. Как правило, одна входная и одна выходная клеммы соединены общей шиной, называемой «землей».

Классификацию усилителей можно проводить по различным признакам:

1)по виду используемого усилительного элемента - ламповые, транзисторные усилители, на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;

2)по диапазону усиливаемых частот - усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радиоили промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ-усилители);

3)по ширине полосы усиливаемых частот - узкополосные, широкополосные усилители;

4)по характеру усиливаемого сигнала - усилители непрерывных и импульсных сигналов;

5)по усиливаемой электрической величине усилители напряжения, тока, мощности;

6)по типу нагрузки - резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.

Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характеристик.

Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала (напряжение, ток или мощность) к входной. В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению КU, по току KI или по мощности КP.

Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному напряжению (току):

31

активная мощность Рвых, отдаваемая усилителем в нагрузку RН больше активной мощности Рвх подводимой к его входным зажимам:

KP Pвых Pвх

Коэффициент усиления по мощности часто выражают в логарифмических единицах - децибелах: КР дБ= 10 lgКР.

В биполярных транзисторах входной ток относительно велик, и коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности могут быть использованы в одинаковой мере, однако наиболее часто усилитель характеризуется коэффициентом КU. Поэтому для коэффициента КU в дальнейшем индекс U будет опускаться.

Усиление сигнала, как правило, сопровождается искажениями его формы. Поэтому усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления, но и мерой искажений выходного сигнала по сравнению с входным. Искажения делят на линейные и нелинейные.

Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Из-за этого отдельные гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителя оценивают с помощью

амплитудно-частотной

(АЧХ) характеристик.

Под АЧХ усилителя понимается зависимость модуля коэффициента усиления от частоты сигнала. Примерный вид АЧХ

усилителей показан на рис. 1. Иногда амплитудно-частотной характеристикой называют зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты сигнала при постоянном входном напряжении.

Нелинейными искажениями называют искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителе. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, которых не было в спектре входного колебания. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) КГ. Этот коэффициент измеряется на выходе, усилителя при подаче на вход гармонического колебания и определяется

32

соотношением

(рис. 3)

Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Реальные АХ нелинейны, что наиболее ярко выражено при малых и больших уровнях входного сигнала. Начальный нелинейный участок АХ обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При больших амплитудах входного сигнала начинает сказываться нелинейность ВАХ активных приборов.

В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.

33

Рис. 3

Резисторными (апериодическими) усилителями напряжения

называются усилители, в которых явно выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). Резисторные усилители широко применяют для усиления напряжения звуковой частоты. На рисунке 3 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе. Для установления необходимого режима работы биполярного транзистора с помощью резисторов R1 и R2 на базе создается заданное напряжение Uб0. Резистор RК обеспечивает работу транзистора в выбранном режиме по постоянному току. Стабилизация работы транзистора при изменении температуры осуществляется включением резистора RЭ. Чтобы сопротивление RЭ не сказывалось на переменном токе, его шунтируют конденсатором CЭ. Разделительные конденсаторы СР препятствуют передаче постоянной составляющей напряжения.

Контрольные вопросы.

1.Что такое электронный усилитель?

2.Почему в электронном усилителе происходит усиление мощности?

3.Как классифицируются электронные усилители?

4.Что такое коэффициент усиления?

5.Какой усилитель называют апериодическим (резисторным)?

6.Какие искажения в усилителях называют линейными? Чем они обусловлены?

7.Какие искажения в усилителях называют нелинейными? Чем они обусловлены?

34

8.Что называют амплитудно-частотной характеристикой усилителя?

9.Что такое полоса пропускания усилителя?

10.Почему в апериодическом усилителе уменьшается усиление на низких частотах?

11.Что называют амплитудной характеристикой?

12.Почему реальные амплитудные характеристики нелинейные?

13.Объясните назначение элементов в схеме апериодического усилителя.

35

Лабораторная работа №4. Изучение резисторного усилителя напряжения

Цель работы. Ознакомление с принципом работы резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе и основными его характеристиками. Изучение зависимости выходного напряжения и коэффициента усиления от величины сопротивления нагрузки коллектора, от амплитуды входного напряжения и от частоты входного напряжения.

Задание.

1. Снять зависимость амплитуды выходного напряжения Um вых от сопротивления нагрузки коллектора RК при частоте входного сигнала f = 1 кГц и Um вх = 5 мВ. Рассчитать коэффициент усиления К. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1. По результатам измерений построить графики зависимости Um вых и К от RК.

Таблица 1.

2. Снять амплитудную характеристику усилителя при f = 1 кГц и RК = 1,5 кОм. Рассчитать коэффициент усиления К. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 2. По результатам измерений построить графики зависимости Um вых и К от Um вх. Используя полученные графики определить динамический диапазон усилителя.

Таблица 2.

К

3. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя при Um вх = 5 мВ и RК = 1,5 кОм. Рассчитать коэффициент усиления. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.

Таблица 3.

36

По результатам измерений построить графики зависимости Um вых и К от частоты входного напряжения в полулогарифмическом масштабе. (Для построения графика в полулогарифмическом масштабе по оси ординат отложить амплитуду входного напряжения и коэффициент усиления в линейном масштабе, а по оси абсцисс – частоту входного напряжения в логарифмическом масштабе). По графику определить полосу пропускания усилителя F (см. рис. 2).

4. Сделать выводы.

Приборы и оборудование: лабораторный стенд, генератор звуковой частоты, электронный осциллограф, источник питания.

Указания по выполнению лабораторной работы.

Работа выполняется с использованием стенда, схема которого изображена на рис 4. Входное напряжение задается звуковым генератором и подается на вход усилителя. Нелинейные искажения и величины выходного напряжения определяются с помощью осциллографа (см. инструкции по эксплуатации). Напряжение питания подается с источника питания

(напряжение питания 5В).

Для снятия зависимости амплитуды выходного напряжения Um вых от сопротивления нагрузки RК подать на вход усилителя сигнал частотой f = 1 кГц и амплитудой Um вх = 5 мВ. Изменяя с помощь переключателя S1 нагрузочное сопротивление RК измерить амплитуду выходного напряжения Um вых. Положение переключателей S2 и S3 укажет преподаватель.

Для снятия амплитудной характеристики усилителя подать на вход усилителя сигнал частотой f = 1 кГц, переключатель S1 перевести в положение «5». Изменяя амплитуду входного сигнала Um вх от 1 до 20 мВ измерить амплитуду выходного напряжения Um вых.

37

5. Логические элементы цифровых устройств

Логические элементы - это электронные устройства, предназначенные для обработки информации представленной в виде двоичных кодов, отобpажаемыx напpяжeниeм (сигналом) выcoкого и низкого уpовня. Логические элементы реализyют логические функции И, ИЛИ, НЕ и их комбинации. Указанные логические операции выполняются с помощью электронных схем, входящих в состав микросхем. Из логических элементов И, ИЛИ, НЕ, можно сконстpуировать цифровое электронное устройство любой сложности.

Логические элементы могут выполнять логические функции в режимах положительной и отрицательной логики. В режиме положительной логики логической единице соответствует высокий уровень напряжения, а логическому нулю - низкий уровень напряжения. В режиме отрицательной логики наоборот логической единице соответствует низкий уровень напряжения, а логическому нулю - высокий.

Если в режиме положительной логики логический элемент, реализует операцию И, то в режиме отрицательной логики выполняет операцию ИЛИ, и наоборот. И если в режиме положительной логики - И-НЕ, то в режиме отрицательной логики - ИЛИ-НЕ.

Условное графическое обозначение логического элемента представляет собой прямоугольник, внутри которого ставится изображение указателя функции. Входы изображают линиями с левой стороны прямоугольника, выходы элемента - с правой стороны. При необходимости разрешается располагать входы сверху, а выходы снизу. У логических элементов И, ИЛИ может быть любое начиная с двух количество входов и один выход. У элемента НЕ один вход и один выход. Если вход обозначен окружностью, то это значит, что функция выполняется для сигнала низкого уровня (отрицательная логика). Если окружностью обозначен выход, то элемент производит логическое отрицание (инверсию) результата операции, указанной внутри прямоугольника.

Все цифровые устройства делятся на комбинационные и на последовательностные. В комбинационных устройствах выходные сигналы в данный момент времени однозначно определяются входными сигналами в тот же момент. Выходные сигналы последовательностного устройства (цифрового автомата) в данный момент времени определяются не только логическими переменными на его входах, но еще зависят и от предыдущего состояния этого устройства. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ и их комбинации являются комбинационными устройствами. К последовательностным устройствам относятся триггеры, регистры, счетчики.

Логический элемент И (рис. 1) выполняет операцию логического умножения (конъюнкцию). Такую операцию обозначают символом /\ или значком умножения (·). Если все входные переменные равны 1, то и функция

39

Y=X1·X2 принимает значение логической 1. Если хотя бы одна переменная равна 0, то и выходная функция будет равна 0.

Наиболее наглядно логическая функция характеризуется таблицей, называемой таблицей истинности (Табл. 1). Талица истинности содержит всевозможные комбинации входных переменных Х и соответствующие им значения функции Y. Количество комбинаций составляет 2n, где n – число аргументов.

Логичеcкий элeмент ИЛИ (рис. 2) выполняет операцию логического сложения (дизъюнкцию). Обозначают эту операцию символом \/ или знаком сложения (+). Функция Y=X1\/X2 принимает значение логической 1, если хотя бы одна переменная равна 1. (Табл. 2).

Логический элемент НЕ (инвертор) выполняет операцию логического отрицания (инверсию). При логическом отрицании функция Y принимает значение противоположное входной переменной Х (Табл. 3). Эту операцию обозначают Х .

40