1. Основные понятия и расчетные соотношения

При решении многих технических задач возникает необходимость в усилении слабых электрических сигналов. Это осуществляется электронными усилителями. Усилителем электрических сигналов называют устройство, в котором сравнительно маломощный электрический сигнал управляет передачей гораздо большей энергией от источника питания в нагрузку. Структурная схема усилителя приведена на рис.1.1.

1.1. Структурная схема усилителя

К входу усилителя (зажимы 1¹-1) подключен источник сигнала с действующим значением ЭДС Er и внутренним сопротивлением Rr. Он создает на выходе усилителя напряжение Uвых. К выходу усилителя (зажимы 2¹-2) подключена нагрузка с сопротивлением Rн.

Усилитель, управляемый входным сигналом, преобразует энергию источника питания и создает в выходной цепи на нагрузке усиленный сигнал Uвых, что отражено на схеме наличием источника напряжения KuUвх с выходным сопротивлением R_вых (где Ku=Uвых/Uвх – коэффициент усиления по напряжению).

Обычно усилитель представляет собой многокаскадное устройство, состоящее из ряда последовательно соединенных простейших каскадов. Схема одного из усилительных каскадов выполненного на биполярном транзисторе с RC связями приведена на рис.1.2. Такой усилитель обычно предназначен для предварительного усиления непрерывных или импульсных сигналов по напряжению, а резистивно-емкостная (RC) связь между усилителем и источником сигнала и нагрузкой является наиболее распространенной.

Основными элементами каскада являются: источник питания (EК), биполярный транзистор n-p-n типа (VT1) и резистор коллекторной цепи RК. Эти элементы образуют главную усилительную цепь, в которой за счет протекания управляемого током базы Iб коллекторного тока Iк = B.Iб, на коллекторе транзистора создается усиленное переменное напряжение Uкэ=Eк-IкRк, которое, далее, через разделительный конденсатор Cр2 передается на нагрузочное сопротивление Rн. Резисторы R1, R2, Rэ играют вспомогательную роль - обеспечивают необходимый режим транзистора по постоянному току (режим покоя или рабочую точку транзистора). Кроме того, за счет включения в эмиттерную цепь резистора Rэ, в схеме возникает отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току. Она осуществляет температурную стабилизацию рабочей точки транзистора. Полярность напряжения источника питания Eк положительна. Это обеспечивает для транзистора n-p-n типа смещение коллекторного перехода в обратном, а эмиттерного перехода в прямом направлении, т.е. активный (усилительный) режим работы транзистора. Конденсаторы Cp1 и Cp2 называются разделительными. Они обеспечивают изоляцию (разделение) источника сигнала и нагрузки от каскада по постоянному току и соединение (связь) их по переменной составляющей между собой. Для устранения отрицательной обратной связи по переменной составляющей, которая возникает из-за эмиттерного резистора Rэ его шунтируют конденсатором Cэ, сопротивление Xcэ которого на низшей частоте усиливаемого сигнала должно быть на порядок меньше Rэ (Rэ>>Xcэ). Это ослабляет (устраняет) отрицательную обратную связь в каскаде по переменному току и устраняет влияние Rэ на коэффициент усиления по переменной составляющей. Кроме перечисленных элементов принципиальной схемы, при усилении импульсных или высокочастотных сигналов, необходимо учитывать паразитную емкость Cо = Cкэ+Cм+Ссл.каскада, состоящую из 3-х составляющих : Cкэ – емкость коллектор-эмиттер транзистора; См – емкость монтажа; Ссл.каскада – емкость следующего каскада, или прибора подключаемого в усилителю, например, осциллографа, которая включена параллельно нагрузке.

Идеальный усилитель должен увеличивать входной сигнал в заданное число раз (Ku) без изменения формы сигнала. В реальных усилителях этого не происходит. Всегда есть отличия, которые и составляют искажения создаваемые усилителем. Искажения бывают двух видов: линейные и нелинейные.

Рабочее задание:

1. Подготовить технические средства к работе.

2. Подготовить установку «ЛОЭ-АиПУ» для снятия амплитудной характеристики усилителя: Uвых = F(Uвых) при f= 1000 Гц.

3. С помощью таблицы 1 построить график амплитудной характеристики усилителя.

4. Провести исследование частотных свойств усилителя (положение переключателя на «ЛОЭ-АиПУ» оставить без изменения).

5. С помощью таблицы 2 построить график амплитудно-частотной характеристики.

Методические указания

VT1 - маломощный низкочастотный транзистор типа МПИ 2А с параметрами f=1...3 мГц , B=30..50 , Y=200 Ом. Ск = 30 пФ , Ркмакс = 200 мВт.

Резисторы конденсатора имеют следующие номиналы

R 1=1 кОм, R2=11 кОм, R3=5,1 кОм, R4=R5=R9=3,6 кОм, R6=470 Ом, R7=20 Ом, R8=510 Ом, R10=10 кОм, С1=С2=С3=20 мкФ.

По первому пункту задания выполнить следующие действия:

Включите тумблер «Сеть» на установке «ЛОЭ-2», на генераторе сигналов «Г3-38», на осциллографе «С1-72».

По второму пункту задания выполнить следующие действия:

Для этого переключатели, расположенные на передней панели “ЛОЭ-2” установите в положения:

“КОММУТАТОРЫ” – 1, 4, 6, 7, 15.

“ИЗМЕРЕНИЕ I, U» – тумблер (-), переключатель (VI).

(Примечание: полное отклонение указателя в положение «200» соответствует 2v В).

Произведите регулировку напряжения питания усилителя, для чего нажмите клавишу «КОНТРОЛЬНЫЕ ТОЧКИ», потенциометром «ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ» установите 10 В (отметка 100).

С целью устранения влияния стрелочного прибора на результаты измерений переведите переключатель «Измерение I, U» в положение «V2”.

Подключите “КТ” “Контрольные точки” к выходу усилителя (“КТ7”), для чего нажмите 7-ю клавишу “Контрольные точки”.

Подключите выход генератора сигналов Г3-33 по входу исследуемого усилителя, для чего сигнальную клемму генератора соедините с гнездом “ВХОД№ 2 на установке “ЛОЭ-2”.

Подключите вход милливольтметра “В3-38” к выходу исследуемого усилителя, для чего сигнальный провод милливольтметра соедините с гнездом “КТ” на “ЛОЭ-2”.

Эксперимент проводите в соответствии с ниже следующей таблицей 1:

Uвх, мВ f=1000	0	1	3	5	10	15	20	25	30	35	40	50	60	70	80	90	100	120	150
Uвых мВ
Ku

ПРИМЕЧАНИЕ: Частоту входного сигнала f=1000 Гц установите ручками «частота Hz» и «Множитель». Амплитуду входного сигнала (Uвх) изменяйте ручками «РЕГ.ВЫХОДА». Выходное напряжение (Uвых) снимайте с милливольтметра. Осциллограф можно использовать для контроля формы выходного напряжения.

По третьему пункту задания выполнить следующие действия: Определите по графику динамический диапазон усилителя, напряжение собственных шумов Uш, коэффициент усиления Ku, максимальную амплитуду сигнала Uвхmax.

По четвёртому пункту задания выполнить следующие действия:

Амплитуду сигнала на выходе генератора сигнала «Г3-33» установите равной:

Uвх = (Uш + Uвхmax)\2.

Снимайте амплитудно-частотную характеристику: Ku=F(f)Uвх=const в соответствии с ниже следующей таблицей 2:

f, Гц	20	50	102	3*102	103	5*103	104	2*104	105	1,5*105	2*105
Uвых, В
Ku

По пятому пункту задания выполнить следующие действия:

Определите по графику диапазон рабочих частот усилителя fв и fн при коэффициенте частотных искажений Мв = Мн = 1,2.