fopi / Лабы по ФОИ - Изучение работы транзисторного усилителя с обратной связью(31)

Изучение работы транзисторного усилителя с обратной связью

Приборы и принадлежности: усилитель на транзисторах, осциллограф, блок питания, генератор звуковой частоты, соединительные провода

Цель работы: ознакомление с принципом усиления электрических сигналов с помощью транзисторного усилителя и изучение влияния положительной и отрицательной обратной связи на его работу

Одним из основных элементов современных радиотехнических и электронных устройств является электронный усилитель.

В настоящее время существует большое разнообразие электронных усилителей различного назначения, которые применяются в контрольно-измерительных приборах, в управляющих системах, в электронных вычислительных машинах и т. д.

Как основной элемент усилители входят и схемы медицинских электронных приборов и аппаратов. Их применяют для усиления биопотенциалов, в приемно-передающих устройствах телеметрических систем, регистрирующих медико-биологическую информацию, и во многих других электронных устройствах, используемых в медицине.

Электронным усилителем называется устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов без изменения их формы. Усилители усиливают входной сигнал по напряжению, по току или по мощности. Кроме того, усилители отличаются друг от друга частотами усиливаемых сигналов. По частоте усиливаемых сигналов усилители можно разделить на несколько основных типов.

Диапазон рабочих частот усилителей низкой частоты (УНЧ), как правили, лежит в пределах звуковых частот (от 20 Гц до 20 кГц). Иногда эти усилители называют также усилителями звуковой частоты. Используя специальные методы, их диапазон частот можно увеличить до 100 МГц и более. Такие усилители называются широкополосными усилителями или видеоусилителями.

Особое значение для медицины имеют усилители медленно меняющихся сигналов — усилители постоянного тока (УПТ). Их нижняя усиливаемая частота . Это позволяет усиливать как переменную, так и постоянную составляющие сигнала. Для получения избирательного усиления, т. е. для усиления сигналов в узкой полосе частот, применяют избирательные (резонансные) усилители. Такие усилители усиливают сигналы некоторой избранной частоты -

Остановимся на важнейших технических характеристиках усилителей-

Коэффициентом усиления k по напряжению усилителя называется величина, равная отношению выходного напряжения U_вых усилителя к напряжению на его входе U_вх:

(31.1)

Для усиления сигнала до требуемой величины бывает недостаточно одного каскада усиления. В этом случае применяют многокаскадные усилители. Коэффициент усиления усилителя, состоящего из п последовательно включенных каскадов с коэффициентами усиления k₁, k₂, k₃, … k_n, подсчитывают по формуле:

Важным параметром усилителя является его входное сопротивление R_вх — сопротивление между его входными клеммами:

Выходное сопротивление R_вых усилителя, если все элементы схемы линейны, определяют при коротком замыкании входных клемм.

На рис. 31.1 показана схема усилительного каскада с общим эмиттером.

Изменение силы тока базы приводит к изменению силы коллекторного тока и напряжения на коллекторе, причем изменения коллекторного напряжения значительно превышают изменения входного напряжения. Напряжения на входе и на выходе рассмотренного усилительного каскада сдвинуты по фазе на 180.

Часто в схемах усилителей используется подача части энергии выходного сигнала на вход схемы. Такое воздействие называют обратной связью (ОС), а усилители, содержащие цепи обратной связи, — усилителями с обратной связью. Обратная связь является эффективным средством улучшения усилительных свойств и широко применяется в высококачественных усилителях. Введение ОС значительно уменьшает искажения в усилителях, ослабляет внутренние помехи. Существуют различные способы реализации обратной связи в усилителях, в зависимости от этого различают обратную связь по напряжению и по току. Обратная связь характеризуется коэффициентом передачи обратной связи

(31.2)

где U_ОС — напряжение на выходе цепи обратной связи; U_вых — напряжение на выходе усилителя.

Цепь ОС может быть подключена к входу усилителя последовательно или параллельно с источником входного сигнала. По этому принципу различают последовательную и параллельную обратные связи. При этом если напряжение обратной связи U_oc совпадает по фазе с входным напряжением, то такая ОС называется положительной:. Если U_ос и U_вх сдвинуты по фазе на 180°, то ОС называется отрицательной: . При положительной ОС суммарный сигнал на входе усилителя возрастает, а при отрицательной — уменьшается.

Рассмотрим влияние последовательности ОС по напряжению (рис. 31.2) на основные параметры усилителя.

Предположим, что в цепях усилителя и ОС отсутствуют сдвиги фаз, тогда напряжение на входе усилителя определяется по формуле

(31.3)

В этом случае коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью,

(31.4)

но

(31.5)

Усилитель имеет коэффициент усиления , следовательно,

Из соотношений (31.4) и (31.5) имеем

Разделив числитель и знаменатель на U₁, получим

(31.6)

Из формулы (31.6) видно, что введение отрицательной обратной связи () уменьшает коэффициент усиления усилителя в () раз, а положительной () — увеличивает. При имеем . т. е усилитель самовозбуж-дается и становится генератором электрических колебаний.

Отрицательная ОС широко применяется в усилителях, так как улучшает стабильность коэффициента усиления, позволяет снизить нелинейные искажения. Входное сопротивление усилителя с последовательной отрицательной обратной связью в () раз больше R_вх усилителя без ОС. Высокое входное сопротивление необходимо усилителям, применяющимся, например, для усиления биопотенциалов.

Обратная связь играет важную роль в биологических системах, так как для сложных систем обратная связь является очень эффективным средством автоматического регулирования усиления. Например, при высоких уровнях громкости звука коэффициент передачи среднего уха уменьшается. Это предохраняет ухо от возможности перегрузки и повреждения.

Описание установки

В лабораторной работе используется двухкаскадный усилитель напряжения низкой частоты, принципиальная схема которого приведена на рис 31.3, а структурная схема установки — на рис. 31.4.

Лабораторная установка (ЛУ) соединена с блоком питании (БП), генератором звуковой частоты (ЗГ), электронным осциллографом. (ЭО) и двумя переменными резисторами R_пос и R_оос. С помощью переключателей K₁ и К₂ можно подавить на вход усилители часть выходного напряжения первого и второго каскадов. Каждый каскад усилителя меняет фазу усиливаемого сигнала на 180⁰ Следовательно, при подаче на вход усилителя напряжения с выхода первого каскада осуществляется отрицательная ОС по напряжению, а с выхода второго—положительная ОС по напряжению. Тумблер К₃ изменяет подключение осциллографа к установке. В положении ВХОД осциллограф подключен к входу усилителя» в положении ВЫХОД — к выходу.

Порядок выполнения работы

1. Определение коэффициента усиления усилителя без обратной связи:

   1. подайте на вход усилителя сигнал частотой f.

   2. измерьте напряжения U_вх и U_вых на входе и выходе усилителя;

   3. измерения повторите при двух других амплитудах входного сигнала;

   4. рассчитайте коэффициент усиления усилителя без ОС [см.(31.1)];

   5. результаты намерений и вычислений занесите в табл. 31.1.

2. Изучение влияния отрицательной обратной связи на коэффициент усиления усилителя;

   1. установите сопротивление R_оос и замкните ключ К₂

   2. подайте на вход усилителя с генератора звуковой частоты сигнал и измерьте напряжении U_вх и U_вых на входе и выходе усилителя.

   3. повторите измерения при двух других значениях R_оос;

   4. определите коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью и коэффициент передачи цепи обратной связи

   5. результаты измерений и вычислений занесите в табл. 31.2.

3. Изучение влияния положительной обратной связи на коэффициент усиления усилителя:

   1. установите сопротивление R_пос и замкните ключ K₁;

   2. подайте на вход усилителя сигнал с генератора звуковой частоты и измерьте напряжения U_вх и U_вых на входе и выходе усилителя;

   3. повторите измерения при двух других значениях R_пос;

   4. рассчитайте и

   5. результаты измерений и вычислений занесите в табл. 31.3.

Таблица 31.1

Uвх, мВ	Uвых, мВ	K

Таблица 31.2

ROOC, кОМ	Uвх, мВ	Uвых, мВ	kОос

Таблица 31.3

RПOC, кОМ	Uвх, мВ	Uвых, мВ	kПос

Вопросы и упражнения

1. Начертите схему усилительного каскада с общим эмиттером и объясните назначение элементов.

2. Объясните принцип работы усилительного каскада с общим эмиттером.

3. Как о6ъяснить сдвиг фаз между входным и выходным сигналом в этой схеме?

4. Что называется обратной связью? коэффициентом передачи цепи обратной связи?

5. Когда применяется положительная или отрицательная обратная связь?

6. Как влияет обратная связь на коэффициент усиления усилителя?