Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лаб. работы.PE-dumin02.doc
Скачиваний:
154
Добавлен:
13.03.2016
Размер:
5.54 Mб
Скачать

Лабораторная работа №3 частотные характеристики усилителей на резисторах

ЦЕЛЬ РАБОТЫ – экспериментальное исследование влияния элементов усилительных каскадов на их частотные характеристики. Ознакомление с приемами коррекции частотных характеристик усилителей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Радиотехнический процесс усиления колебаний (сигналов) является одним из важнейших процессов, используемых в радиоэлектронике и экспериментальной физике. Этот процесс осуществляется в активных четырехполюсных цепях, называемых электронными усилителями.

Для усиления колебаний в диапазоне частот до 109 Гц в качестве усилительных элементов используют электронные приборы (ЭП) – электронные лампы и транзисторы. Основу любого электронного усилителя составляют: ЭП, источник постоянного напряжения и нагрузка ЭП, которые образуют замкнутую цепь. Процесс усиления состоит в увеличении мощности сигнала за счет расхода энергии источника сторонней энергии (источника напряжения). При этом используется основное свойство ЭП – способность слабым воздействием на управляющий электрод (на входе ЭП) управлять сравнительно большим током в выходной цепи. Изменение тока в выходной цепи приводит к изменению напряжения на нагрузке ЭП. Это изменяющееся напряжение и используется как выходное.

Основным параметром усилителей является коэффициент усиления , связывающий входной и выходной сигналы. Различают коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности. Широко используется выражение коэффициента усиления в логарифмическом масштабе (в децибелах):

. (3.1)

Усилители, в которых в качестве нагрузки ЭП включен резистор, называются резисторными, или апериодическими. К ним относятся усилители звуковой частоты, импульсные усилители, видеоусилители.

В апериодических усилительных каскадах электронные приборы чаще всего включают так, что для усиливаемых колебаний их инжекторы соединены с узлом, который является общим для входных и выходных зажимов усилителя. Такое включение электронной лампы называют “с общим катодом”, биполярного транзистора – “с общим эмиттером”, а полевого транзистора – “с общим истоком”. Схемы резистивных каскадов на полевом и биполярном транзисторе представлены на рис. 3.1а и рис. 3.1б.

Как видно из приведенных схем, апериодические усилители содержат как резисторы, так и емкости, поэтому их называют еще усилителями с резистивно-емкостными связями. Поскольку реактивное сопротивление емкости зависит от частоты (), то из-за наличия разделительных и шунтирующих емкостей коэффициент усиления апериодического усилителя тоже зависит от частоты.

а) б)

Рис. 3.1. Схемы инвертирующих резистивных каскадов

на полевом и биполярном транзисторах

Разделительные конденсаторы включают для того, чтобы постоянные напряжения, обеспечивающие режим покоя каскада усилителя, не воздействовали на вход и выход усилителя, т.е. осуществляют развязку каскада по постоянной составляющей. Обычно величину емкостивыбирают порядка единиц микрофарад. Рост сопротивления емкости с понижением частоты приводит к увеличению падения напряжения на разделительной емкости и, как следствие, к уменьшению коэффициента усиления.

Шунтирующие емкости в явном виде в схемах усилителей отсутствуют. В реальных усилительных цепях (в силу протекающих физических процессов) имеются емкости между проводниками, радиодеталями, между элементами конструкций радиодеталей, между электродами ЭП и т.п. Такие емкости называют паразитными. Суммарная емкость , шунтирующая сопротивление нагрузки, образованная емкостью нагрузки, емкостью монтажа, междуэлектродными емкостями ЭП, обычно составляет десятки пикофарад. В области высоких частот с ростом частоты сопротивление емкостистановится сравнимым с сопротивлением, а с дальнейшим повышением частоты становится столь малым, что закорачивает (шунтирует) выходной сигнал, снижая тем самым усиление. Другой причиной уменьшения коэффициента усиления с ростом частоты является ухудшение усилительных свойств ЭП, обусловленное его инерционностью (например, в случае электронной лампы – конечным временем пролета носителей заряда через область управляющего электрода).

В варианте усилительного каскада на полевом транзисторе (рис. 3.1а) частотные характеристики определяются элементами: сопротивлением стоковой нагрузки , сопротивлением нагрузки каскада, емкостью нагрузки каскада, разделительными емкостями, проводимостями и емкостями, которые физически присущи полевым транзисторам. Элементы,,являются вспомогательными и служат для обеспечения линейного режима работы транзистора. Эти элементы не оказывают существенного влияния на частотные характеристики каскада.

В варианте усилительного каскада на биполярном транзисторе (рис. 3.1б) частотные характеристики определяются элементами: сопротивлением коллекторной нагрузки , сопротивлением нагрузки каскада, емкостью нагрузки каскада, разделительными емкостями, проводимостями и емкостями, которые физически присущи биполярным транзисторам. Элементы,,,являются вспомогательными, служат для обеспечения заданного режима работы транзистора и температурной стабилизации его параметров. Эти элементы не оказывают существенного влияния на частотные характеристики каскада.

Частотная зависимость коэффициента усиления усилителя описывается комплексной передаточной функцией , связывающей комплексные амплитудынапряжений гармонических составляющих выходного и входного сигналов. Зависимость модуля комплексной передаточной функции от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), зависимость аргумента комплексной передаточной функции от частоты– фазо-частотной характеристикой (ФЧХ).

Комплексную передаточную функцию получают из решения динамической задачи линейной теории усиления. В приближении малого гармонического сигнала на входе, каскаду усилителя ставят в соответствие эквивалентную схему. Вариант полной эквивалентной схемы, учитывающей влияние разделительной и шунтирующей емкостей, для усилительного каскада на биполярном транзисторе представлен на рис. 3.2.

Для эквивалентной схемы методом узловых напряжений составляют систему уравнений, которая в матричной форме имеет вид:

. (3.2)

Рис. 3.2. Эквивалентная схема, учитывающая влияние разделительной и шунтирующей емкостей, усилительного каскада на биполярном транзисторе

Из решения системы уравнений (3.2) комплексная передаточная функция каскада по напряжению с учетом неравенства определяется выражением:

, (3.3)

где – коэффициент усиления напряжения в области средних частот,

, – постоянные времени заряда емкостей,через сопротивления, к которым они подключены.

Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада определяется как из (3.3) выражением:

, (3.4)

где ,– значения частот, при которых коэффициент усиления уменьшается враз по отношению к его максимальному значению. Частоты,определяют полосу пропускания усилительного каскада на уровнеи называются нижней и верхней граничными частотами.

Формула (3.4) описывает частотные характеристики любого апериодического усилителя независимо от типа ЭП и способа его включения. График АЧХ, соответствующий выражению (3.4), представлен на рис. 3.3.

В диапазоне частот можно выделить и порознь рассматривать следующие области частотных характеристик: область средних частот, область высших частот, область низших частот. В области низших частот существенное влияние на частотные характеристики оказывают разделительные емкости каскада. Для области высших частот существенными являются емкости, оказывающие шунтирующее действие (емкости нагрузки и монтажа, межэлектродные емкости электронных приборов и др.).

Рис. 3.3. Амплитудно-частотная характеристика резистивного усилителя

Нередко в устройствах радиоэлектроники и установках экспериментальной физики существует необходимость усиливать колебания в диапазоне частот от единиц и десятков герц до единиц и десятков мегагерц. Такие усилители называются широкополосными. Основными типами каскадов широкополосного усилителя являются усилители с резистивно-емкостной связью. Специфической особенностью этих каскадов в широкополосных усилителях является наличие дополнительных цепей частотной коррекции, обеспечивающих расширение полосы частот равномерно усиливаемых гармонических составляющих колебаний.

Существует большое количество схем высокочастотной коррекции, представляющих собой как двухполюсные цепи, включаемые параллельно выходной цепи усилительного каскада, так и четырехполюсники, включаемые между электронным прибором и нагрузкой каскада. Общая идея этих схем сводится к компенсации влияния шунтирующих емкостей при помощи индуктивностей. Наиболее простым методом высокочастотной коррекции является включение в коллекторную цепь электронного прибора корректирующей индуктивности. Такая схема коррекции называется простой параллельной коррекцией (рис. 3.4а). Эквивалентная схема этого каскада для высокочастотной области приведена на рис. 3.4б.

Принцип действия коррекции заключается в следующем. На высших частотах коэффициент усиления каскада на резисторах падает из-за шунтирующего влияния емкости . При включении последовательно синдуктивностив коллекторной цепи каскада элементы,иобразуют колебательный контур, сопротивление которого равнона низших частотах, а на резонансной частоте может быть сделано равным и даже превышающим.

Выбрав так, чтобы резонанс имел место там, где частотная характеристика каскада падает из-за влияния, можно значительно расширить полосу усиливаемых каскадом частот и даже получить подъем частотной характеристики на высших частотах.

Для апериодических усилителей сопротивление нагрузки ЭП

а) б)

Рис. 3.4. Простая параллельная высокочастотная коррекция:

а) принципиальная схема,

б) эквивалентная схема

обычно значительно меньше сопротивлений и. В этом случае схема коррекции рис. 3.4 характеризуется одним безразмерным параметром (коэффициентом коррекции):

. (3.5)

Величина n по существу является квадратом добротности колебательного контура, образованного элементами ,,. Обычно значениеn выбирают в пределах от 0,2 до 0,5. На рис. 3.5 изображен график АЧХ усилительного каскада с высокочастотной коррекцией. На этом же рисунке приведен график АЧХ каскада без коррекции (пунктирная линия).

Рис. 3.5. Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада

с высокочастотной коррекцией

Выясним связь между частотными и временными характеристиками резистивного усилителя. Для этого проанализируем упрощенные эквивалентные схемы усилителя в области низких частот (рис. 3.6а) и в области верхних частот (рис. 3.6б).

а) б)

Рис. 3.6.Упрощенные эквивалентные схемы усилителя:

а) в области низких частот,

б) в области верхних частот

Согласно закону Кирхгофа для -цепи можем записать:

. (3.6)

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

.

После дифференцирования

и преобразования получим

. (3.7)

Если постоянная времени достаточно большая, то () и для сигнала, не содержащего составляющих спектра, с частотами ниже граничной частотывторым слагаемым в (3.7) можно пренебречь. Тогда сигнал будет передаваться без линейных искажений: .

При очень малых постоянных времени можно пренебречь первым слагаемым, и напряжение на выходе примет вид:

, (3.8)

т. е. осуществляется дифференцирование входного сигнала.

При выполнении условия сигналы называют “быстрыми”, а если– сигналы называют “медленными”. Для эквивалентной схемы в области верхних частот уравнение (3.6) запишем, используя в качестве неизвестной переменной напряжение на емкости в виде , или

. (3.9)

При малых постоянных времени для сигнала, не содержащего составляющих спектра, с частотами выше граничной частоты(“медленные” сигналы) можно пренебречь первым слагаемым в (3.9) и , т.е. сигнал будет передаваться без линейных искажений. Для сигналов, содержащих составляющие спектра, с частотами выше граничной частоты(“быстрые” сигналы)-цепь осуществляет интегрирование

. (3.10)

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из базового устройства, которое представляет собой собранный на шасси усилительный каскад с резистивно-емкостной 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 ,,,рассчитать нижнюю и верхнюю граничные частоты,, постоянные времении, 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 от амплитуды входного напряжения при .

  2. Экспериментально снять амплитудно-частотные характеристики усилительного каскада для значений:,;,;,;,,.

  3. Построить графики снятых АЧХ и по ним определить нижнюю и верхнюю граничные частоты ,и постоянные времении.

  4. Переключить генератор в режим генерирования последовательности прямоугольных импульсов. Для значений ,исследовать влияние частоты следования импульсовна форму и параметры сигнала на выходе усилителя. Исследовать и зарисовать осциллограммы для случаев,,.

Примечание: При построении графиков АЧХ целесообразно использовать по оси абсцисс логарифмический масштаб частоты , 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 ,ина АЧХ?

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

  5. Как зависят коэффициент усиления и полоса пропускания от величины и?

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

  7. Объясните действие цепей коррекции.

ЛИТЕРАТУРА: [6], [12], [13], [18].

Лабораторная работа № 4