Лаб раб 2 УНЧ (Лабораторные работы по электротехнике)

7

Лабораторная работа № 2б. Исследование усилителя низкой частоты с резистивно-емкостной связью

Цель работы: ознакомление с принципом работы и основными характеристиками многокаскадных усилителей с резиствно-емкостной связью.

Краткие теоретические сведения.

Усилители – это устройства, предназначенные для усиления переменных сигналов. Такое преобразование осуществляется за счет энергии постоянного источника питания.

Усилители широко применяются в науке и технике.

Простейшим усилителем является усилительный каскад, содержащий усилительный элемент (биполярный или полевой транзистор), пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) и постоянный источник питания, которые обеспечивают нужный режим работы каскада.

Н а рис. 1, приведён наиболее распространенный усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ) на основе биполярного транзистора n-p-n типа. Назначение элементов каскада:

источник питания Е_к (включается между клеммой +Е_к и «землёй» _┴), обеспечивает режим каска­да но постоянному то­ку («режим покоя»), т.е. величины токов I_бо, I_к и напряжений U_бэ0, U_кэ0, на которые накладываются переменные составляющие токов и напряжений. За счёт энергии посто­янного источника осуществляется усиление переменного сигнала U_вх, снимаемого с генератора синусоидальных колебаний, в усиленный сигнал U_вых, поступающий, в нагрузку R_н. Величина резистора R_б определяет значение «тока покоя» в цепи базы I_бо, I_к – нагрузочный резистор, определяет значение переменного выходного напряжения U_вых. Разделительные конденсаторы С_р1 и С_р2 исключают прохождение постоянных составляющих токов и напряжений каскада в генератор или нагрузку (или из генератора и нагрузки в каскад).

Усилительный каскад, изображенный на рис. 1, является усилителем напряжения. Он характеризуется коэффициентом уси­ления по напряжению

k = ,

который составляет величину порядка 10 – 100.

С целью получения большого коэффициента усиления усили­тельного устройства несколько каскадов объединяются в много­каскадный усилитель. Его коэффициент усиления равен произве­дению коэффициентов усиления всех каскадов устройства:

k = k₁•k₂•...•k_N,

где N – число каскадов.

П ри этом выходное напряжение предыдущего каскада пода­ется на вход последующего. Соединение каскадов производится через элементы связи (конденсаторы, резисторы либо трансфор­маторы), которые определяют тип усилителя.

Н а рис. 2 изображена, принципиальная схема двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной (RC) связью, являющейся наиболее распространенным типом связи. Каскады соединены через разделительный конденсатор С_р2. Элементы R_э и С_э в цепях эмиттеров транзисторов Т₁ и Т₂ обеспечивают температурную стабилизацию режима усиления. Делители напряжения R1-R2 и R3-R4 задают величину постоянного напряжения на базах тран­зисторов Т₁ и Т₂ каждого каскада.

Аналогичная схема усилителя с RC-связью на микросхемах представлена на рис. 3, где в усилительных каскадах исполь­зованы операционные усилители с большим коэффициентом усиле­ния (М₁ и М₂). Назначение соединительных элементов схемы аналогично усилителю на транзисторах. Коэффициент усиления этого усилителя значительно выше, чем усилителя на дискретных элементах.

Основные характеристики усилителей – амплитудная и амплитудно-частотная. Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного значения входного напряжения. Эта характерис­тика представлена на рис. 4. Участок «ab» кривой соответ­ствует линейному режиму работы усилителя (т.е. U_вых пропор­ционально U_вх), и коэффициент усиления k = const). На участке «bc» при увеличении входного напряжения появляются искажения формы выходного напряжения, называемые нелинейными искажениями, и коэффициент усиления падает. Рабочим участком является линейный участок характеристики («ab»).

Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это за­висимость коэффициента усиления усилителя от частоты усили­ваемого сигнала. Вид этой характеристики для усилителя с RC-связью показан на рис. 5.

Коэффициент усиления в области средних частот k₀ посто­янен. В области низких частот (при f→0) сопротивление конден­сатора связи С_р2 растёт:

X_Cр2 = →∞

Напряжение на нём также растёт, следовательно, выходное напря­жение первого каскада падает и k→0 при f→0. Так как выход первого каскада шунтируется входной ёмкостью второго каскада С₀ то в области высоких частот при f→∞ соп­ротивление ёмкости

X_C0 = →0,

следовательно, напряжение на входе второго каскада падает и k→0 при f→∞.

Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями. Они оцениваются коэффициентами частотных искажений на верхних частотах

М_в =

и на нижних частотах

М_в =

где k_в и k_н – коэффициенты усиления на верхних и нижних частотах. Очень часто допустимое значение коэффициента частот­ных искажений М принимают равным . Частоты f_{н гр} и f_{в гр}, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот

Δf = f_{н гр} - f_{в гр}

полосой пропускания усилителя.

Описание лабораторного стенда

На лицевой панели лабораторного стенда изображены две исследуемые схемы двухкаскадных усилителей с RC-связью (разделены горизонтальной чертой):

• сверху – на биполярных транзисторах VТ₁ и VТ₂ (схема соответствует рис. 2);

• снизу – на микросхемах М₁ и М₂ (cм. рис. 3);

Переключатели, тумблеры и ручки потенциометров обеих схем локализованы около соответствующих усилителей.

Внизу под схемой усилителя на транзисторах расположены гнёзда Гн1 – Гн6, номера которых соответствуют определённым точкам исследуемой схемы (точки указаны на схеме).

Блок питания Ек.

В правом верхнем углу стенда находится блок питания (Е_к) усилителя: переключатель Е_к напряжения для двух типов усилителей, потенциометр плавной регулировки напряжения Е_к и вольтметр для измерения напряжения питания.

Верхнее положение тумблера Е_к1 соответствует питанию усилителя на транзисторах.

Нижнее положение тумблера Е_к2 соответствует питанию усилителя на микросхемах.

Регулировка ёмкости разделительного конденсатора цепи связи С_р3 – С_р4 осуществляется тумблером В3.

Верхнее положение тумблера В3 соответствует ёмкости С_р4 = 0,01 мкФ.

Нижнее положение тумблера В3 соответствует ёмкости С_р3 = 20,0 мкФ.

Регулировка ёмкости конденсаторов С_э в цепях эмиттеров транзисторов Т1 и Т2) осуществляется переключателями В4 и В6.

Левое положение переключателей В4 и В6 соответствует ёмкости С_э = 2,0 мкФ, правое положение – 20,0 мкФ.

Нагрузка усилителя регулируется переключателем В7.

Среднее положение B7 – холостой ход.

Левое положение – активная нагрузка. Величина нагрузки усилителя регулируется потенциометром R_н2. Величина нагрузки первого каскада регулируется потенциометром R_н1.

Источником переменного входного сигнала является генератор синусоидальных колебаний, позволяющий регулировать вели­чину и частоту сигнала (стандартный генератор располагается рядом с исследуемым стендом).

Величина усиленного выходного сиглала измеряется лампо­вым вольтметром, а форма исследуется с помощью осциллографа (вольтметр и осциллограф располагаются рядом с исследуемым стендом).

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с лабораторным стендом, генератором си­нусоидальных колебаний, ламповым вольтметром, осциллографом.

2. Установить все тумблеры (В1, ВЗ, В5) в нижнее поло­жение, переключатели (В4, В6, В7) – в среднее, потенциометры (R_ос1, R_ос2, R_ос3, R_н2) – в крайнее левое положение, по­тенциометр R_н1 – в среднее положение, переключатель Е_к1 – в верхнее положение.

3. Собрать схему исследования усилителя на транзисторах (рис. 6): входные гнёзда усилителя (Гн1, Гн2 – _┴) соединить с выходом генератора синусоидальных колебаний, выходные гнезда усилителя (Гн9, Гн10 – _┴) присоединить к вольтметру.

4. Включить питание (тумблер «сеть») стенда, генератора и вольтметра.

5. Установить потенциометром Е_к напряжение питания +20 В.

6. Снять 2 амплитудно-частотные характеристики усилителя при различных значениях С_р и С_э в режиме холостого хода, (т.е. зависимость k(f), где k – коэффициент усиления; f – частота, Гц.). Для этого установить и поддерживать при измерениях входное напряжение U_вх = 1 мВ, выходное напряжение, измеренное в мВ, будет численно равно коэффициенту усиления. Частоту сигнала менять в диапазоне от 2•10² до 2•10⁵ Гц. Устанавливать следующие значения С_р и С_э:

Номер опыта	Значения емкостей	Положение тумблеров
1	Ср = 0,01 мкФ Сэ = 20,0 мкФ	В3 – вверх, В4, В6 – вправо
2	Ср = 20,0 мкФ Сэ = 20,0 мкФ	В3 – вниз, В4, В6 – вправо

Результаты измерений записать в таблицу 1 журнала лаборатор­ных работ.

1. Определить коэффициенты усиления первого и второго каскадов и двухкаскадного усилителя.

Для этого на вход усилителя подать с генератора вход­ной сигнал Uвх = 1 мВ на частоте f = 5 кГц. Последовательно измерить вольтметром выходное напряжение первого (Гн3, Гн4 – _┴) и второго (Гн5, Гн6 – _┴) каскадов.

Результаты записать в таблицу 2 журнала лабораторных ра­бот.

1. Снять 2 амплитудных характеристики усилителя в режи­мах холостого хода и нагрузочном.

Для этого установить частоту входного сигнала f = 5 кГц; величину входного сигнала Uвх изменять от 1 до 30 мВ.

режим холостого хода – переключатель В7 установлен в среднее положение;

нагрузочный режим – переключатель В7 установлен в правое положение, потенциометр R_н2 – в среднее положение.

Измерить значения U_вых (Гн5, Гн6 – _┴) и записать в таблицу 3 журнала лабораторных работ.

1. Исследовать форму выходного сигнала усилителя в за­висимости от величины входного сигнала.

К выходным клеммам усилителя (Гн5, Гн6 – _┴) подсое­динить осциллограф. Включить тумблер «сеть» и настроить осциллограф. Меняя величину входного напряжения, исследовать изменение формы выходного напряжения. Зарисовать в журнале (рис. 5.4) форму сигнала, наблюдаемую на экране осциллографа в линейном режиме работы усилителя (при отсутствии искажения формы выходного сигнала) и в нелинейном режиме (т.е. когда форма выходного сигнала искажается).

1. Выключить стенд и приборы. Разобрать схему.

Порядок оформления

По данным таблицы 1 построить 2 амплитудно-частотные характеристики усилителя, определить Δf для М = .

По данным таблицы 2 рассчитать коэффициент усиления первого каскада k₁, второго каскада k₂ и их произведение k = k₁•k₂ и сравнить с измеренным коэффициентом усиле­ния усилителя k = .

По данным таблицы 3 построить 2 амплитудные характе­ристики усилителя. Выделить на них линейный участок.

Зарисовать осциллограммы выходного сигнала усилителя в линейном и нелинейном режимах работы.

Литература

1. Герасимов В.Г. и др. Основы промышленной электроники М.: - Высшая школа, 1986 г..

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: -Высшая школа, 1982 г..

Контрольные вопросы

1. Какие элементы образуют усилительный каскад?

2. С какой целью применяются многокаскадные усилители?

3. Что такое коэффициент усиления?

4. Что такое амплитудная характеристика усилителя?

5. Что такое амплитудно-частотная характеристика?

6. Чему равен коэффициент усиления многокаскадного усилителя?

7. Как влияет ёмкость разделительного конденсатора на амплитудно-частотную характеристику?

8. Как влияет ёмкость конденсатора в цепи эмиттера на коэф­фициент усиления.

9. Что такое линейный и нелинейный режимы работы усилителя?

10. Что такое частотные и нелинейные искажения?