7

Федеральное агентство по образованию

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьева

Кафедра «Вычислительные системы»

В. Т. ВОЛКОВ

Исследование RC-усилителя на биполярных транзисторах

Лабораторная работа по дисциплине

«Основы электротехники и электроники»

Рыбинск 2008

Цель работы

Цель работы – изучение принципа работы RC -усилителя, методики его работы по постоянному и переменному токам, цепей стабилизации режима по постоянному току; расчет амплитудно-частотной характеристики; исследование элементов схемы RC-усилителя на амплитудно-частотную характеристику.

1. Краткие сведения из теории

В настоящее время трудно определить область техники, где бы не находили применение усилители электрических сигналов. Это объясняется, как правило, несоответствием параметров электрических сигналов, получаемых при первичном преобразовании неэлектрических величин в электрические, параметрам, необходимым для нормальной работы большинства исполнительных (нагрузочных) устройств.

Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника постоянного напряжения (источника питания) в энергию выходного сигнала. Для обеспечения усиления сигнала усилитель должен включать нелинейный элемент, управление которым осуществляется входным сигналом; выходную цепь и источник питания.

В настоящей работе исследуется каскад предварительного усиления RC-типа для усиления гармонических сигналов.

Важнейшими характеристиками усилителя являются: коэффициент усиления, полоса пропускания (диапазон рабочих частот усилителя), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, степень искажения усиленного сигнала и др. Коэффициентом усиления усилителя гармонических сигналов называют отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления

– по напряжению

– по току

– по мощности

Так как P_вх = I_вх × U_вх и P_вых = I_вых × U_вых, то коэффициент усиления по мощности К_P = К_U × К_I .

В случае многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов, т. е. К_общ = К₁ × К₂ . . . К_U.

В том случае, когда коэффициенты усиления достигают значительных величин, применяю логарифмические оценки. При этом коэффициент усиления выражается в децибелах.

Так коэффициент усиления по мощности

Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока, для коэффициентов усиления по напряжению или току можно записать:

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах, равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов, т. е.

К_общ(дБ) = К₁(дБ) + К₂(дБ) + . . . + К_U(дБ).

Полосой пропускания усилителя называют диапазон частот ∆ω_пр, в пределах которого коэффициент усиления (АЧХ) не снижается ниже значения от своего максимального значения К₀. Частоты границ диапазона частот называют соответственно нижняя граница ω_н.гр и верхняя граница ω_в.гр. Тогда полоса пропускания : ∆ω_пр = ω_в.гр – ω_н.гр

1.1. Входное сопротивление усилителя

Так как входная емкость сравнительно мала (порядка долей пФ) входное сопротивление можно считать чисто активным.

Параллельно входному сопротивлению подключается цепь смещения R₁ || R₂ = R_Б. Поэтому

R_вх.общ = R_вх || R_Б  R_Б

1.2. Выходное сопротивление усилителя

Выходное сопротивление также можно считать чисто активным

R_{вых.общ} = R_вых || R_К  R_К, т. к. R_вых >> R_К

1.3. Искажения в усилителе

Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала называют искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и линейные.

Нелинейные искажения

Нелинейные искажения проявляются в том, что в спектре выходного сигнала появляются новые частотные составляющие, которых не было в спектре входного сигнала. Нелинейные искажения возникают из-за наличия в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Нелинейные искажения зависят лишь от амплитуды усиливаемого сигнала и не зависят от частоты. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 1).

Возникновение нелинейных искажений можно показать аналитически, описав для упрощения входную характеристику квадратичной зависимостью

С учетом , получим:

Рис. 1. Возникновение не линейных искажений

Введем обозначения

aU²_БЭ= = I_Б= – постоянная составляющая тока базы;

2aU²_БЭ=U_БЭmsinωt = I_Бm1sinωt – первая гармоника тока базы;

– приращение постоянной составляющей тока базы;

– вторая гармоника тока, базы (новая частотная составляющая). С учетом принятых обозначений выражение для тока базы будет иметь вид:

I_Б = I_Б= + ∆I_Б= + I_Бm1sin(ωt) – I_Бm2cos(2ωt)

Из этого выражения видно, что появилась составляющая с удвоенной частотой.

Уровень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений:

где n – номер гармоники.

На практике достаточно учитывать лишь вторую и третью гармоники, т. к. более высокие гармоники имеют малую мощность.

Линейные искажения

Линейными искажениями называют неодинаковость усиления отдельных частотных составляющих и различие их фазовых сдвигов. Линейные искажения обусловлены в основном зависимостью от частоты коэффициента передачи β и реактивных сопротивлений ёмкостей и индуктивностей, имеющихся в схеме усилителя,

Линейные искажения зависят лишь от частоты и не зависят от амплитуды усиливаемого сигнала.

Линейные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений:

где К_U(ω) – коэффициент усиления на рассматриваемой частоте;

К_U0 – максимальный коэффициент усиления на некоторой средней частоте (ω₀).

В настоящей работе исследуется RC-усилитель, схема которого приведена на рис. 2.

Каскад усиления собран на транзисторе p-n-p типа, включенного с общим эмиттером (ОЭ) по переменному току. Источник входного сигнала представлен эквивалентным генератором э.д.с (E_Г, R_Г).

Резистор R_К устанавливает ток коллектора. Резисторы R₁, R₂, создают смещение на базу транзистора (делителем напряжения или фиксированным напряжением базы). Цепь R_Э-эмиттерная стабилизация режима каскада по постоянному току. Конденсаторы C₁, C₂, служат для отделения постоянных составляющих напряжений. Резистор R_Н играет роль нагрузки, на которой выделяется усиленное напряжение. Конденсатор C_Э, шунтирующий регистр R_Э, устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

Рис. 2. Схема каскада RC-усилителя

Индексом « = » обозначены постоянные составляющие токов транзистора и напряжение на электродах в рабочей точке.

Каскады предварительного усиления предназначены для усиления входного сигнала с минимальными нелинейными искажениями до величины, необходимой для обеспечения выделения в выходном каскаде заданной мощности. Поэтому каскады предварительного усиления в режиме класса А, т. е. на линейном участке входной характеристики транзистора.

2. Графический расчет rc-усилителя

Произведем расчет каскада предварительного усиления в режиме класса А графическим методом. Все диаграммы и построения приведены на рис. 3.

Последовательность построений при графическом расчете следующая:

1) Берем семейства входных и выходных характеристик транзистора, включенного с ОЭ (рис. 3а, б). Ограничиваем рабочую область на выходных характеристиках (штриховые линии P_max, U_{КЭ min}, U_{КЭ max}).

U_КЭ, В

Рис. 3. Графический расчет каскада усиления в режиме класса A

2) На семействе выходных характеристик в рабочей области строим нагрузочную характеристику, которая описывается выражением

U_КЭ = E_К – I_К × R_К. (*)

Она пересекает координатную систем в точке U_КЭ = E_К при I_К = 0 и в точке E_К / R_К при U_КЭ = 0 (E_К  0,8 U_КЭmax). Точками 1 – 6 обозначаем пересечение нагрузкой характеристики с выходными характеристиками. Так как нагрузкой каскада предварительного усилия является аналогичный каскад, входное сопротивление которого много больше сопротивления R_К можно считать, что нагрузочные характеристики по постоянному и по переменному токам практически совпадают.

3) Переносим нагрузочную характеристику в семейство входных характеристик (точки 1' – 6').

4) На входной характеристике выбираем линейный участок (точки 1' – 5'). Рабочую точку (А') выбираем посередине линейного участка и переносим ее в семейство выходных характеристик (А).

5) На диаграммах находим постоянные составляющие токов (I_Б=, I_К=) и напряжений (U_БЭ=, U_КЭ=) в рабочей точке.

6) На диаграммах определяем амплитуды напряжений (U_БЭm, U_КЭm) и токов (I_Бm, I_Кm).

7) Определяем коэффициенты усиления

K_U = U_КЭm / U_БЭm; K_I = I_Кm / I_Бm; K_Р = P_вых / P_вх.

P_вых = I_Кm × U_КЭm = пл.∆ABC (заштрихованный треугольник)

Качественно нелинейные искажения можно оценить по амплитудной характеристике U_вых = f(U_вх), которая представлена на рис. 4.

Рис. 4. Амплитудная характеристика усилителя

На участке 0 – В нелинейные искажения практически отсутствуют. Наклон характеристики зависит от коэффициента усиления.

Линейные искажения оцениваются по АЧХ, которая представлена на рис. 5.

Рис. 5. Нормированная АЧХ

Аналитически АЧХ описывается выражением

Для удобства сравнения АЧХ при различных номиналах элементов усилителя ее представляют в нормированном виде:

где – постоянная транзистора;

β – коэффициент передачи по току базы в схеме ОЭ;

f_α – предельная частота усиления в схеме ОБ;

τ_Б = C₂(R_К + R_Н).