Laboratornaya_rabota_2b_usil (Лабораторные работы)

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

Цель работы: изучить принцип действия и основные характеристики двухкаскадного усилителя напряжения низкой частоты на транзисторах с резистивно-емкостной связью. Изучить работу двухтактного усилителя мощности на основе 2 эмиттерных повторителей с двухполярным питанием на биполярных транзисторах.

Краткие теоретические сведения

Усилитель это устройство, преобразующее сигнал малой мощности в сигнал большей мощности за счёт энергии источника питания.

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

Применяемые на практике усилители являются достаточно сложными устройствами, которые содержат в себе ряд усилительных каскадов, обеспечивающих не только усиление входного сигнала, но и согласование с источником и потребителем сигнала.

Усилительный каскад это минимальный функциональный блок, обеспечивающий усиление сигнала. Обычно в его состав входят один или несколько усилительных элементов (электронный прибор, обеспечивающий усиление сигнала – транзистор или электронная лампа),цепи обратной связи, элементы обеспечивающие режим по постоянному току, и т.д.

Важнейшей величиной, характеризующей усилительный каскад, является коэффициент усиления, равный отношению уровня выходного сигнала к уровню входного. Различают три коэффициента усиления – коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:

Исходя из определения усилителя, любой усилитель увеличивает мощность входного сигнала, и значит основным коэффициентом усиления должен быть коэффициент усиления по мощности, однако при проектировании усилителей акцент ставится на усиление одной из трёх величин, поэтому различают усилители напряжения, тока и мощности. Наиболее часто требуется усиление напряжения, поэтому в литературе наиболее распространён К_U, и, в ряде случаев, он принимается за определение коэффициента усиления вообще.

С целью увеличения коэффициента усиления несколько каскадов объединяются в много­каскадный усилитель. Его коэффициент усиления равен произве­дению одноименных коэффициентов усиления всех каскадов устройства:

К = К₁•К₂•...•К_N,

где N – число каскадов.

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

Каскадами предварительного усиления обычно являются усилители напряжения, а оконечными каскадами – усилители мощности.

Изучаемый в работе усилитель состоит из двух каскадов: усилителя напряжения на биполярном транзисторе и бестрансформаторного двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах, соединенных по схеме с резистивно-емкостной связью.

На рис. 1 изображена, принципиальная схема исследуемого двухкаскадного усилителя.

Рис.1Принципиальная схема исследуемого двухкаскадного усилителя

П

Рис. 2. Первый каскад

ервый каскад усилителя (рис. 2) собран на транзисторе n-p-n типаVT1, включённом по схеме с общим эмиттером(ОЭ).Делитель напряжения R3-R4 задает величину постоянного напряжения на базе тран­зистора (режим работы по постоянному току), резистор R5является нагрузочным резистором в цепи коллектора, обеспечивающим динамический режим работы транзистора. Элементы R6 и С2 обеспечивают температурную стабилизацию усиления. На входе и выходе каскада имеются разделительные конденсаторы С1 и Ср1(или Ср2), необходимые для обеспечения независимости режима работы каскада по постоянному току (режима покоя, характеризующегося I_Б0, I_K0, U_БЭ0,U_КБ0) от входной и выходной цепей.

Входное сопротивление каскада на транзисторе с ОЭ обычно составляет порядка несколько сотен Ом. Выходное сопротивление велико и может составлять несколько десятков кОм. Поэтому при работе усилителя на низкоомную нагрузку необходимо использовать согласующий каскад.

В современной электронике при создании усилителей на не слишком большие выходные мощности и не слишком малые сопротивления нагрузки наиболее широко применяются двухтактные устройства без использования трансформаторов. Такие усилители мощности имеют небольшие габаритные размеры и массу, а также обладают повышенной надежностью.

Рис. 3. Второй каскад

На рис. 3 показан второй (выходной) каскад усилителя, являющийся бестрансформаторным двухтактным усилителем мощности. Он собран на комплементарных транзисторах VT2 и VT3 (транзисторах разной структуры [n-p-n и p-n-p], но имеющих близкие характеристики), работающих в режимах эмиттерных повторителей напряжения (схема с общим коллектором). Режим работы по постоянному току задают делитель R8-R9 и коллекторные резисторы R10 иR11. Диоды VD1 и VD2 создают небольшое смещение напряжения для увеличения начальных токов и обеспечивают работу усилителя в режиме АВ. Начальные токи, протекающие через транзисторы VT2 и VT3,в силу разнополярности транзисторов взаимно компенсируются. Это приводит к уменьшению искажений сигнала, а также обеспечивает параметрическую температурную стабилизацию работы транзисторов. Выходное сопротивление каскада мало (порядка десятков килоом), что обеспечивает хорошее согласование с низкоомной нагрузкой.

Второй каскад является усилителем тока, а его коэффициент передачи по напряжению близок к 1 (что характерно для эмиттерного повторителя), К_р>>1.

Основными характеристиками усилителей являются амплитудная и амплитудо-частотная. Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды 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 К = const). На участке «bc» при увеличении входного напряжения появляются искажения формы выходного напряжения, называемые нелинейными искажениями, и коэффициент усиления падает. При дальнейшем увеличении U_вх выходное напряжение U_вых не меняется, усилитель работает в режиме насыщения. Рабочим участком усилителя является линейный участок характеристики «ab».

Рис. 4. Амплитудная характеристика Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика

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

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_Н = , где К_В и К_Н – коэффициенты усиления на верхних и нижних частотах, а К₀ – максимальное значение коэффициента усиления. Обычно допустимое значение коэффициента частот­ных искажений М принимают равным . Частоты f_Н и f_В, соответствующие минимальным значениям коэффициента усиления, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот Δf = f_Н–f_В полосой пропускания усилителя.

Влияние емкости связи между каскадами Ср1 (Ср2) можно проанализировать по амплитудно-частотной характеристике усилителя при различных значениях Ср1 и Ср2.

Влияние нагрузки на работу первого каскада исследуется по амплитудным характеристикам при наличии низкоомной нагрузки (резистор R7) на выходе первого каскада и в режиме холостого хода (при отключении резистора R7 переключателем 2).

Порядок выполнения работы

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

2. Собрать схему исследования усилителя на транзисторах (рис. 1 бланка):

2.1. Входные гнёзда усилителя (Гн1, ) соединить с выходом генератора синусоидальных колебаний.

2.2. Выход первого каскада соединить со входом второго каскада через разделительную емкость С_р1=3,3 мкФ (переключатель 1 установить в верхнее положение).

2.3. Выходные гнезда усилителя (Гн3, ) присоединить к осциллографу.

1. Включить питание (тумблер «сеть») стенда, генератора и осциллографа.

2. Опыт 1.Определить коэффициент усиления по напряжению транзисторного усилителя в режиме холостого хода. Для этого необходимо:

4.1. Установить переключатель 2 в левое положение, переключатель 3 в правое положение. Установить с помощью генератора частоту входного сигнала f = 5 кГц.

4.2. На вход усилителя подать с генератора входной сигнал U_вх = 20 мВ (регулируется с помощью потенциометра R1). Для измерения входного сигнала используется осциллограф, подключенный к Гн2, (см. Приложение, стр. 6).

4.3. Измерить с помощью осциллографа выходное напряжение усилителя (Гн3, ).

Коэффициент усиления двухкаскадного усилителя по напряжению будет равен К=U_вых/U_вх.

Результаты записать в таблицу 1 бланка лабораторных работ.

Исследовать влияние согласующего каскада на коэффициент усиления двухкаскадного усилителя. Для этого:

4.4. Подключить низкоомную нагрузку (резистор R7=130 Ом) к выходу первого каскада (переключатель 2 установить в правое положение, переключатель 3 - в левое положение), при этом вход второго каскада шунтируется и соответственно снижается нагрузка первого каскада.

4.5. Измерить величину напряжения (U’_вых) на выходе усилителя (Гн3, );

4.6.Подключить нагрузку (резистор R7=130 Ом) к выходу второго каскада (переключатель 3 - в правое положение)

4.7.Измерить величину напряжения (U”_вых) на выходе усилителя (Гн3, ).

4.8. Рассчитать коэффициент уменьшения выходного напряжения усилителя при включении несогласованной нагрузки к усилителю с ОЭ (U’_вых/U”_вых)^.100%.

Результаты записать в таблицу 1 бланка лабораторных работ.

1. Опыт 2.Снятие амплитудно-частотной характеристики усилителя.

Снять 2 амплитудно-частотные характеристики усилителя при различных значениях разделительныхемкостей Ср1и Ср2 в режиме холостого хода. Порядок действий:

5.1. Установить и поддерживать при измерениях входное напряжение U_вх=20 мВ.