Бутенко Д.В., Черкасова Г.С. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов (2014) (1186344), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов7при выполнении работ 1, 2, 4 и 5. При выполнении работы 5 в качестве второго источника синусоидального сигнала используется низкочастотный генератор Г3-36А (3) илиеще один генератор Г3-112. Генератор импульсов Г5-63 (4) используется в качестве источника входного импульсного сигнала при выполнении работы 2. Для визуального наблюдения сигналов и измерения их параметров при выполнении всех работ используется двухканальный осциллограф АСК-1022 (5). Для измерения переменного напряжения может применяться вольтметр переменного напряжения В3-38А (6), для измеренияпостоянного напряжения - цифровой вольтметр В7-58/2 (7). Питание лабораторногомакета при выполнении работ 1 и 2 осуществляется от одного из двух стабилизированных источников питания ИПС-1 или «Марс» (8). При выполнении работ 3, 4 и 5, когдатребуется напряжение питания более 15 В, лабораторные макеты подключаются кдвухканальному источнику питания (9) с помощью специального кабеля.В описании каждой лабораторной работы в разделе «Описание лабораторнойустановки» приводятся сведения о лабораторном макете, а также указания по сборкеисследуемой схемы и подключению к ней измерительных приборов.ОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова.
Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов8ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НАБИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕЦель работы - изучение физических процессов, происходящих в усилителе набиполярном транзисторе с резисторно-конденсаторной связью, исследование амплитудных и амплитудно-частотных характеристик усилителя, влияние элементов схемы ицепей коррекции на характеристики.Краткие сведения об усилительных каскадах на биполярных транзисторахУсилителем называется устройство, создающее в нагрузке сигнал, являющийсякопией входного, но превышающий его по мощности.
Минимальная часть усилителя,реализующая функцию усиления, называется усилительным каскадом. Большинствоусилителей являются многокаскадными, т. е. имеют в своем составе несколько усилительных каскадов. В состав усилительного каскада входят:1) активный элемент – электронный прибор (биполярный или полевой транзистор, электронная лампа), осуществляющий преобразование энергии источника питания каскада в энергию выходного сигнала;2) схема обеспечения и стабилизации режима покоя активного элемента;3) входная и выходная цепи, обеспечивающие связь каскада с источником сигнала и нагрузкой (или с предыдущим и последующим каскадами);4) при необходимости – цепи обратной связи и цепи коррекции амплитудночастотной характеристики.В зависимости от способа включения активного элемента усилительный каскадможет обладать разными свойствами.
Для примера приведем особенности каскадов набиполярных транзисторах:1) каскад с общей базой (ОБ): коэффициент усиления по току несколько меньше1, коэффициент усиления по напряжению значительно больше 1 (обычно десяткисотни); низкое входное и высокое выходное сопротивления; широкая полоса рабочихчастот;2) каскад с общим коллектором (ОК): коэффициент усиления по напряжениюкак правило близок к 1 (отсюда название «эмиттерный повторитель»); коэффициентусиления по току значительно больше 1; высокое входное и низкое выходное сопротивления;ОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова.
Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов93) каскад с общим эмиттером (ОЭ): коэффициенты усиления по напряжению итоку значительно больше 1, поэтому коэффициент усиления по мощности значительнобольше, чем с каскадах ОБ и ОК; входное сопротивление меньше, чем у каскада ОК, нобольше, чем у каскада ОБ; выходное сопротивление больше, чем у каскада ОК, номеньше, чем у каскада ОБ.Как для усилителя в целом, так и для отдельно взятого усилительного каскадаможно определить ряд основных параметров и характеристик.На рис. 2 представлена структурная схема усилителя с подключенным ко входуисточником сигнала с ЭДС ЕГ и внутренним сопротивлением RГ и с нагрузкой RН в выходной цепи. Определим с ее помощью часть основных параметров усилителя.Коэффициент усиления по напряжению – отношение напряжений на выходе ивходе усилителя: К=UВЫХ/UВХ.Рис.
2. Структурная схема усилителяСквозной коэффициент усиления (коэффициент усиления по ЭДС) – отношениенапряжения на выходе усилителя к ЭДС источника входного сигнала: К=UВЫХ/ЕВХ.Коэффициент усиления по току – отношение токов на выходе и входе усилителя: КI=IВЫХ/IВХ.Коэффициент усиления по мощности – отношение мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к мощности сигнала, подведенного к его входу: КP=PВЫХ/PВХ.Входное сопротивление – отношение изменения входного напряжения усилителя к связанному с ним изменению входного тока: RВХ=dUВХ/dIВХ.Выходное сопротивление – отношение изменения выходного напряжения усилителя к связанному с ним изменению выходного тока: RВЫХ=-dUВЫХ/dIВЫХ.
Минус указывает на то, что при увеличении выходного тока (например, при уменьшении RН) выходное напряжение будет уменьшаться. При подаче на вход усилителя гармоническогоОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов10сигнала малой амплитуды (режим малого сигнала) изменения соответствующих напряжений и токов могут быть заменены на их амплитуды или действующие значения:Rвых=uвх/iвх, Rвых=|uвых/iвых|Подобным образом определяются активные входное и выходное сопротивленияв случае, когда фазовые сдвиги между напряжением и током во входной и выходнойцепях отсутствуют (в так называемой области средних частот).
В общем случае входное и выходное сопротивление имеют комплексный характер, т. е. помимо активнойимеют реактивную составляющую (для усилителей низкой частоты – как правило, емкостного характера). Коэффициенты усиления по напряжению, ЭДС и току также вобщем случае являются комплексными.Вышеперечисленные, а также некоторые другие параметры усилителя могутбыть определены по его основным характеристикам.Рис. 3. Основные характеристики усилителя: амплитудно-частотная (а) и фазочастотная(б), амплитудная (в), переходная (г).Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость модуля коэффициента усиления усилителя от частоты входного синусоидального сигнала при его заданной постоянной амплитуде. Как показано на рис. 3, а, для любого усилителя по егоАЧХ можно выделить область средних частот (область СЧ), в которой модуль коэффициента усиления практически не зависит от частоты, а также области нижних и верхнихчастот (области НЧ и ВЧ), в которых модуль коэффициента усиления уменьшается соОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова.
Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов11ответственно с уменьшением и увеличением частоты. Как правило, уменьшение модулякоэффициента усиления связано с влиянием реактивных элементов усилителя. По АЧХобычно определяют коэффициент усиления на средних частотах Кср, а также диапазонрабочих частот (полосу пропускания), ограниченный нижней и верхней граничнымичастотами fН и fВ, в котором коэффициент усиления изменяется в заданных пределах.Во многих случаях значения fН и fВ определяются по уровню 0,707 Кср. Фазочастотнаяхарактеристика (ФЧХ) – зависимость фазового сдвига между входным и выходнымнапряжениями от частоты.
Типовой вид ФЧХ для усилителя переменного напряженияпоказан на рис. 3, б.Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды входного синусоидального напряжения. АХ снимается на частоте, относящейся к области СЧ (например, соответствующей центру диапазона рабочих частот). Как показано на рис. 3, в, АХ усилителя имеет линейный участок,соответствующий изменению амплитуды входного напряжения в пределах U mminВХ -U mmaxВХ .
При этом коэффициент усиления остается постоянным, т. е. независимым отUmВХ, и пропорциональным тангенсу угла наклона линейного участка АХ к оси абсцисс.Поэтому работа усилителя на линейном участке АХ характеризуется малыми нелинейными искажениями. При U m ВХ U mminВХ АХ становится нелинейной и с ростом UmВХформа выходного сигнала все сильнее отличается от синусоидальной, т. е.
все сильнеепроявляются нелинейные искажения (из-за нелинейности характеристик активных элементов усилительных каскадов в спектре выходного напряжения увеличивается долявторой, третьей и т. д. гармоник). Выход АХ на горизонталь соответствует двустороннему ограничению выходного напряжения. При U m ВХ U mminВХ входной сигнал оказывается соизмеримым с уровнем собственных шумов усилителя, т. е. неразличимым на ихфоне. Протяженность линейного участка АХ определяет так называемый динамическийдиапазон усилителя:D[дБ ] 20 lg U mmaxВХ U mminВХПереходная характеристика – зависимость выходного напряжения (реже – тока) усилителя от времени при ступенчатом изменении входного сигнала пронормированая по коэффициенту усиления и по входному напряжению(рис.
3, г):h(t ) U ВЫХ (t ) KU m ВХОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов12По переходной характеристике можно оценить переходные искажения усилителя, которые проявляются при усилении импульсных сигналов (см. лабораторную работу № 2).В данной работе проводится исследование маломощного усилительного каскадана биполярном транзисторе с ОЭ (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
